傳統電腦在運作時總是「熱呼呼」， 新的計算方式利用粒子的位置和速度來編碼資訊，大幅減少執行計算並保持電路冷卻所需的能量。
【撰文╱鮑爾 翻譯╱鍾樹人】
你是否注意過，電腦很「熱」。事實上，筆記型電腦排出的熱可以燙傷大腿；據估計，資料中心每年消耗200兆瓦時（terawatt-hour），相當於一些中型國家的能量消耗量。資通技術的碳足跡幾乎等於航空業消耗燃料的碳足跡。當電腦的電路越來越小且密集，能量以熱的型式耗散時，越可能熔毀電路。
美國加州大學戴維斯分校物理學家克拉奇菲爾德和研究生雷提出一種執行計算的新方法，耗散的熱比傳統電路少很多。他們在最近提交的論文中詳述此方法，待同儕審查後發表。事實上，此方法可能使耗散的熱小於根據物理定律計算出目前電腦的最低值，大幅減少執行計算並保持電路冷卻所需的能量。他們表示，只要使用現有的微電子裝置，便能辦到。
●抹除資訊位元 就會耗散能量
1961年，任職於IBM華生研究中心的物理學家藍道爾指出，傳統計算方式在耗散能量時產生無可避免的成本，也就是熱和熵（entropy）。因為傳統電腦為了騰出空間容納更多資訊，有時必須抹除記憶電路裡的資訊位元。每重置一個位元（數值為1或0），就會耗散極小的能量，雷和克拉奇菲爾德稱此能量為「藍道爾」；該值隨環境溫度變化，例如在客廳，一個藍道爾大約是10-21焦耳。
●不需計算過程 就可「解計算」
資訊科學家早就了解，只要不抹除任何資訊，就能降低藍道爾界限（Laudauer limit，每次計算最少需產生的熱）。若以這種方式進行計算就完全可逆，因為沒有抹除任何資訊，每一步都可以回溯。聽起來，這個程序很快就會填滿電腦的記憶體。但是在1970年代，同樣任職於IBM的班奈特指出，與其在計算結束時清除資訊，若不再需要計算過程的中間結果，可藉反轉邏輯運算使電腦回復到原始狀態，而達到「解計算」（decompute）。怪異的是，為了避免轉移任何熱，計算時的一連串邏輯運算必須無限緩慢進行。某種意義上，這種方法避免在這個程序中發生任何「摩擦加熱」，代價是，無限久才能完成計算。
●改變粒子動量 可使計算可逆
無論如何，矽基計算無法接近藍道爾界限。雷和克拉奇菲爾德表示，透過新方法在電流中編碼資訊就可以表現得更好，該方法不是靠電荷脈衝，而是改變粒子的動量，這可使計算可逆，卻不必犧牲速度。
去年，雷和克拉奇菲爾德等人提出了動量計算（momentum computing）的基本構想。關鍵概念在於，粒子動量可以「免費」當做某種記憶，因為攜帶的資訊不只是該粒子的瞬時狀態，還有其過去和未來的運動資訊。
之後，這項額外資訊能用於可逆計算。這個構想要能運作，邏輯運算發生的速度必須比位元和周遭環境達到熱平衡的時間要快；因為一旦達到熱平衡，位元的運動會隨機化，進而擾亂資訊。克拉奇菲爾德說：「換句話說，進行動量計算的裝置必須以高速運作。」若該方法要順利運作，計算速度要快，也就是不考慮絕熱。
該團隊思考了如何利用此概念執行「位元翻換」的邏輯運算，即兩個位元同時翻換數值：1變成0，0變成1。如此一來沒有清除任何資訊，只是重新組態；也就是說，理論上沒有產生抹除資訊的成本。
但是如果資訊只以粒子的位置來編碼，位元翻換（例如粒子在左側通道和右側通道間轉換）意味擾亂了它們的識別，無從分辨其「翻換前」與「翻換後」的狀態。倘若這些粒子動量相反，它們能保持獨特性，此計算就是真正的可逆變化。
雷和克拉奇菲爾德描述了如何在實際元件上執行這個概念，具體而言是指超導通量量子位元（superconducting flux quantum bit），這是目前多數量子電腦使用的標準位元。這些裝置由超導材料的電路組成，並以「約瑟夫森接面」（Josephson junction, JJ）這類結構分隔，該接面是把薄薄一層非超導材料插在兩個超導體間。
JJ電路的資訊通常以超導電流的循環方向來編碼，運用微波輻射就能轉換其方向。而超導電流帶有動量，也能用於動量計算。雷和克拉奇菲爾德執行模擬後表示，在特定條件下，JJ電路應能執行他們的動量計算方法：如果冷卻到液態氦的溫度，電路可以在不到15奈秒內執行一次位元翻換運算。
●效率速度之間 更能達到平衡
山迪亞國家實驗室的資訊科學家法蘭克評論：「所有團隊一直憑著直覺在研究，也就是說，比起傳統可逆計算方式，這些方法更能在效率與速度間達到平衡。直到目前為止，在理論與個別元件模擬的層面，雷和克拉奇菲爾德可能是最澈底示範這點的人。」即使如此，法蘭克提醒，若要成為實用技術，還有很長一段路要走。
克拉奇菲爾德較為樂觀地說：「這取決於能否使大眾支持加速發展。」他認為，低耗散的小型動量計算JJ電路可能在幾年後實現，完整的微處理器則在十年內就會首次亮相。他預期，消費級動量計算的能量效率增益，將比現行方法高1000倍，甚至更多。克拉奇菲爾德說：「想像一下，置於巨大倉庫的Google伺服器場，計算和冷卻使用1000千瓦，若可減少到只有1千瓦（相當於幾個白熾燈），該有多好。」（摘錄，文中插題為編者所加）
本版取自《科學人》雜誌2022年9月號，更多的內容歡迎閱讀《科學人》雜誌。相關訊息網址：sa.ylib.com
【2022-09-26/聯合報/R17版/好讀周報科學力】
