或许你从未想过，现有计算机的运行方式对能源的挥霍，几乎相当于用一天就“砸掉”一台笔记本电脑。
早在上世纪70年代，人们就发现，当计算机进行运算或删除数据时，不可避免会产生大量废热。长久以来，我们一直习惯于计算机这种极度耗能的工作方式，并未重视和认真思考如何去改变。然而，随着人工智能的兴起，计算机不断增长的巨额能耗将给人类带来能源危机。
庆幸的是，我们已经有了一个应对办法，但它涉及一个听起来不太可能的路径——让处理器把每一步运算操作都做两次，正向，然后逆向。这就是可逆计算机。
传统计算机之痛，废热耗能远超运算
提高能效需要遵循热力学原理，早在50年前人们就知道这一点，但囿于传统计算机的运行方式及其迅速迭代，提高能效的想法一直未能实现。
如今，AI消耗的能源大部分来自化石燃料，其碳足迹增长迅速，已占到全球温室气体排放的2%，比整个航空业的排放量还要多。荷兰埃因霍温科技大学的阿伊达·托德瑞·萨尼尔认为，AI高耗能的主要原因是传统计算机的能量使用方式极为低效——计算机需要不断删除数据，尽管每次操作所需能量看似微不足道，但这种运行方式使计算机时刻处在逆转无序状态，以达到热力学系统的平衡态。
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，计算机擦除信息应是一个不可逆的过程，但这只在被擦除信息不用被恢复时才有意义。严格来说，这是违背热力学定律的。根据热力学定律，删除的信息不会消失，而是去了别的地方。因此当一小段数据被删除后，虽然该数据不会被恢复，但也不会被彻底消除。
运行中的计算机是一台产热量极高的机器，因为它需要不断删除信息。就硬件层面来说，每个程序都由一系列基于电子信号的运算构成，即一串串微小的电子流。计算机最基本的操作是逻辑门，比如执行“与门”（AND门）操作时，芯片接收输入信号A和B，输出A、B之和A B，而当A B被馈入下一个逻辑门时，A和B即被删除。所有的逻辑门都以这种方式删除信息，这些操作所消耗的能量会以热能形式流失。
事实上，计算机在废热上的耗能比运算要多得多。1961年，IBM公司的罗尔夫·兰道尔确定了一台计算机删除一比特数据所耗费的能量下限，即所谓的“兰道尔极限”。尽管今天的高级计算机每删除一段数据只耗费几毫瓦的电，还不到一个灯泡用电的几千分之一，但计算机浪费的能量可以兆瓦计，相当于点亮数百万支灯泡的用电量。
如今，随着可逆计算理念的兴起，计算机领域即将发生重大变革，这将改变计算机内在的传统高能耗运行方式。
可逆计算机优势，两次运算巧妙节能
研究人员提出了一种避免计算机运行高能耗的方法，即创建一种新型计算机。不同于传统计算机，它的所有运行过程都是可逆的。
热力学定律规定，任何有效的不可逆过程都会伴随着熵的增加，但可逆过程可使熵保持不变，因此浪费的能量很少。如果可逆计算机最终能够成功运行AI程序，那么计算机的能耗将可大幅降低。
然而，要造出可逆计算机，需要颠覆现有计算理念，并从根本上革新芯片，程序员也要接受一种完全违背直觉的全新程序设计理念。再以“与门”为例，输入A和B——在传统计算机里，输出A B后，A和B就会被删除；在可逆计算机里，它们将会存储在某种记忆模块里，以避免耗费能量去删除它们。
兰道尔担心，任何规避这一能耗的努力最终将导致内存不足。但研究人员找到一种解决方法：要求每步计算都执行两次，首先是正向运行，然后再逆向。这是因为，一旦反向运行相同操作，正向操作中使用的任何额外内存都会被释放。
表面看来，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，都不涉及数据信息的删除，因此逆行操作不会产生任何明显可觉察的能耗。
可逆计算机就以这种方式巧妙利用了热力学原理。计算机进行的任何操作都含有移动电子这一物理学过程，而可逆计算机移动电子的速度要比传统计算机慢。也就是说，如果将可逆计算机看作是一个物理学系统，由于来回移动的电子较少，它就不会因为需要恢复热力学的基本平衡态而耗费大量能量。
芯片最早后年上市，关键在于软硬件配合
其实，早在1973年，IBM的查尔斯·班尼特就已证明，制造可执行传统计算机所有功能的可逆计算机，在理论上是可行的。可为何我们会一直囿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，这使可逆计算机很难与其竞争。
“我们不知道可逆计算机节能的极限在哪里，但在理论上，哪怕节省上千倍都是有可能的。”英国Vaire公司30多年前就开始了可逆计算机研发，公司首席技术官兼联合创始人汉娜·厄利认为，如今随着AI带来的能源新挑战，以及传统计算机的迭代放缓，可逆计算机将迎来首个商业化机遇。
据Vaire公司预计，可逆计算机芯片最早2027年可投入市场。不过，要具备真正竞争力，它不仅需要芯片，还得有计算机编程语言的转型配合。
加拿大麦克马斯特大学的雅克·卡雷特认为，这种逻辑上完全可逆的计算机语言，对于传统软件开发人员来说是“极不相容的”，从无到有创建一种全新的计算机语言将是一个巨大挑战。
Vaire团队的想法是，尽可能避开这一难题，对传统计算机编程语言进行改良。他们正在开发一种无需开发全新计算机语言的界面，那样计算机编程人员也无需重新学习。
在硬件方面，研究人员一直在改进一种名为“谐振器”的部件。在芯片内部，电子在改进后的谐振器内的流动速度要比在传统谐振器内慢得多。电子流动产生电信号，速度变慢可让计算机不再“觉察”到电子移动，计算机也就不用为恢复热力学上的平衡态而散热，从而避免能源浪费——这对计算机逆向运行的成功非常关键。
厄利称，Vaire公司已为去年开发的一种谐振器申请了专利，它可让公司开发的芯片更具实际应用价值。
未来计算空间广阔，新型芯片将迎井喷
“尝试开发新技术来解决计算机能耗问题，是个了不起的想法，但问题是需要多久才能投入市场，因为计算机造成的能源危机已迫在眉睫。”英国牛津大学的戴维·米顿指出，改进传统计算机软硬件的工作已在加紧进行中。
除了投入可逆计算机芯片开发的Vaire公司，不少初创公司还在开发其他类型的计算机芯片。例如，美国初创公司Normal公司的芯片也利用了热力学原理，不过其运行方式并非可逆，而是利用芯片温度自然发生的波动现象来运行计算机。由于计算机可在无需消耗能量的情况下自然回归热力学平衡态，这款芯片拥有很好的节能前景。
Normal公司的加文·克鲁克斯称，这种芯片非常适合AI，如产生文本和图像。项目开展不到一年，该公司已生产出首批芯片，现正在开发更先进的硬件系统，并开始创建软件系统。
克鲁克斯认为，AI能源危机已将非传统计算机的发展推到了聚光灯下，未来发展空间巨大，“五年之内，可能会迎来适合多种需求的芯片开发理念大爆发”。
据预测，各种专用芯片的井喷时刻即将到来——它们之间并非竞争关系，而是共生共存，每一种新型芯片都将找到各自独特的生态位。不过，这一切将是一条漫长而艰难的负重之路，不会一蹴而就。
原标题：《算两次竟比一次节能？可逆计算机颠覆现有芯片，破局AI能耗》
栏目主编：许琦敏 文字编辑：刘琦 题图来源：视觉中国
来源：作者：方陵生/编译
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