计算两次比一次节能？可逆计算机颠覆当前芯片，打破AI能耗

也许你从来没有想过，目前计算机运行模式对能源的挥霍，几乎相当于用一天的时间“砸”一台笔记本电脑。

早在上世纪 70 在时代，我们发现当计算机计算或删除数据时，很难避免大量的热量浪费。长期以来，我们一直习惯于计算机这种极其耗能的工作方式，没有注意和认真思考如何改变。然而，随着人工智能的兴起，计算机能耗的增加将给人类带来能源问题。

幸运的是，我们已经有了一个解决方案，但它涉及到一条听起来不太可能的路径——让Cpu做两次每一步的计算操作，前进，后退。这是一台可逆的计算机。

传统计算机的痛苦，废热耗能远远超过计算机

提高能效需要遵循热力学原理，早在 50 几年前大家都明白了这一点，但是由于传统的计算机运行模式和快速迭代，提高能效的想法一直没有实现。

如今，AI 消耗的能源大多来自化石燃料，其碳足迹增长迅速，已经占据了全球温室气体排放的位置。 比整个航运行业消耗更多的2%。阿伊达荷兰埃因霍温科技大学 · 托德瑞 · 萨尼尔认为，AI 高能耗的主要原因是传统计算机能量的使用非常低效——计算机需要不断删除数据。虽然每次操作所需的能量似乎微不足道，但这种操作模式使计算机始终处于逆转混乱的状态，从而达到热力学系统的平衡。

AI 作图

热力学定律是处理能量、热量和熵的基本原理。为了提高效率，用计算机擦除信息应该是一个不可逆的过程，但只有在不恢复的情况下擦除信息才有意义。严格来说，这是违反热力学定律的。根据热力学定律，删除信息不会消失，而是去其他地方。因此，当删除一小段数据时，虽然数据不会恢复，但也不会完全消除。

计算机在运行过程中是一种高热量的机器，因为它需要不断地删除信息。就硬件层面而言，每一个程序都是由一系列基于电子信号的计算组成的，即一串细小的电子流。电脑最基本的操作就是逻辑门，比如执行“跟门”（AND 门)操作时，芯片接收输入信号 A 和 B，导出 A、B 之和 A B，而当 A B 当你被送进下一个逻辑门时，A 和 B 即被删除。以这种方式删除所有逻辑门的信息，这些操作所消耗的能量就会通过热能流失。

事实上，计算机在废热方面的能耗要比计算机多得多。1961 年，IBM 罗尔夫公司 · 兰道尔确定了一台计算机删除一个比特数据所消耗的能量下限，即所谓的“兰道尔极限”。虽然今天的高级计算机每次删除一个数据，只消耗几毫瓦的电量，不到一个灯泡用电量的千分之一，但是计算机浪费的能量可以是兆瓦计，相当于点亮了几百万个灯泡的功耗。

当今，随着可逆计算理念的兴起，计算机领域即将发生重大变化，这将改变计算机内部传统的高能耗运行模式。

可逆电脑的优点，巧妙的两次计算节能。

研究人员提出了一种防止计算机运行高能耗的方法，即建立一种新型计算机。与传统计算机不同，它的整个运行过程是可逆的。

根据热力学定律，任何有效的不可逆过程都会伴随着熵的增加，但是可逆过程可以使熵保持一致，所以浪费的能量很少。如果可逆计算机最终能够顺利运行 AI 程序，那么计算机的能耗就会大大降低。

但是，为了制造可逆的计算机，需要颠覆当前的计算理念，从根本上创新芯片，程序员还需要接受一个完全违背直觉的全新编程设计理念。以“跟门”为例，输入 A 和 B ——导出传统的计算机 A B 后，A 和 B 然后就会被删除；在可逆计算机中，它们会储存在某些记忆模块中，以防止能量消耗被删除。

兰道尔担心，任何避免这种能源消耗的努力最终都会导致内存不足。然而，研究人员找到了一个解决方案:每步计算需要执行两次，首先是正向运行，然后是反向运行。这是因为，一旦相同的操作反向运行，正向操作中使用的任何额外内存都将被释放。

表面上看，重复运行两次意味着计算机的能耗会翻倍，但事实并非如此。因为无论是发出指令还是数据运算，都不涉及删除数据信息，所以逆行运行不会产生任何明显的可感知能耗。

可逆计算机以这种方式巧妙地利用了热力学原理。计算机的任何操作都有移动电子的物理过程，可逆计算机的移动电子速度会比传统计算机慢。换句话说，如果可逆计算机被视为一个物理系统，它不会花费大量的能量，因为来回移动电子很少，因为它需要恢复热学的基本平衡。

芯片最早在后年上市，关键在于软硬件配合。

其实，早在 1973 年，IBM 的查尔斯 · 班尼特已经证明，理论上制造可以执行传统计算机所有功能的可逆计算机是合理的。但是为什么我们总是局限于这种低能效的不可逆计算机呢？答案很简单:传统计算机迭代速度太快，很难与可逆计算机竞争。

“我们不知道可逆计算机节能的极限在哪里，但理论上，即使节能几千倍，也是可能的。”美国 Vaire 公司 30 可逆计算机研发多年前就开始了，公司首席技术官兼创始人汉娜 · 厄利觉得，现在随之而来 AI 能源新挑战，传统计算机迭代放缓，可逆计算机将迎来首个商业化机遇。

据 Vaire 企业预测，最早可逆计算机芯片 2027 每年都可以投放市场。但是，要有真正的竞争力，它不仅需要芯片，还需要计算机编程语言的转型合作。

雅克斯特大学加拿大麦克马斯特大学 · 卡雷特认为，这种逻辑上完全可逆的编程语言对于传统软件开发者来说是“极其不兼容的”，从零开始建立一种全新的编程语言将是一个巨大的挑战。

Vaire 团队的想法是尽可能避免这个问题，改进传统的计算机编程语言。他们正在开发一个不需要开发新编程语言的页面，这样计算机编程人员就不需要重新学习。

在硬件方面，研究人员一直在改进一个叫做“谐振器”的部件。在芯片内部，改进后的谐振器中电子的流动速度会比以前的谐振器慢很多。电子流动产生电信号，速度变慢可以阻止计算机“意识到”电子移动，所以计算机不必为了恢复热学平衡而排出热量，从而避免能源浪费——这对计算机反向运行的成功至关重要。

厄利称，Vaire 该公司为去年开发的谐振器申请了专利，这使得该公司开发的芯片更具实际应用价值。

未来计算空间广阔，新芯片将迎井喷

“尝试开发新技术来应对计算机能耗问题是一个很棒的想法，但问题是投放市场需要多长时间，因为计算机带来的能源问题迫在眉睫。”英国牛津大学戴维 · 米顿指出，改进传统计算机软硬件工作正在进行中。

除可逆计算机芯片研发外， Vaire 许多初创企业仍在开发其它类型的计算机芯片。例如，美国创业公司 Normal 该公司的芯片也采用了热力学原理，但其运行模式并非可逆的，而是利用芯片温度的自然变化来运行计算机。由于计算机可以在不消耗能量的情况下自然回归热力学平衡状态，因此该芯片具有良好的节能前景。

Normal 公司的加文 · 克鲁克斯说，这种芯片特别适合 AI，比如生成文字和图像。在项目开展不到一年的时间里，公司制造了第一批芯片，现在正在开发更先进的硬件系统，并开始建立软件系统。

克鲁克斯认为，AI 能源问题已经把非常规计算机的发展推向了聚光灯，未来还有很大的发展空间。“五年内，适合各种需求的芯片开发理念可能会大爆发”。

据预测，各种专用芯片的井喷时刻即将到来——它们之间并不是竞争关系，而是共存，每一种新型芯片都会找到自己独特的生态位置。然而，这一切都将是一条漫长而艰难的重量之路，不会一蹴而就。

本文仅代表作者观点，版权归原创者所有，如需转载请在文中注明来源及作者名字。

免责声明：本文系转载编辑文章，仅作分享之用。如分享内容、图片侵犯到您的版权或非授权发布，请及时与我们联系进行审核处理或删除，您可以发送材料至邮箱：service@tojoy.com