الحوسبة القابلة للعكس

الحوسبة العكسية هي أي نموذج من الحوسبة حيث تكون العملية الحسابية ، إلى حد ما، قابلة للعكس زمنيًا . في نموذج الحوسبة الذي يستخدم انتقالات حتمية من حالة واحدة للآلة المجردة إلى أخرى، فإن الشرط الضروري للعكس هو أن تكون علاقة التعيين من الحالات إلى خلفائها واحدًا لواحد . الحوسبة العكسية هي شكل من أشكال الحوسبة غير التقليدية .

بسبب وحدة ميكانيكا الكم ، فإن الدوائر الكمومية قابلة للعكس، طالما أنها لا " تنهار " الحالات الكمومية التي تعمل بها. ^[1]

هناك نوعان رئيسيان وثيقا الصلة من الانعكاسية التي لها أهمية خاصة لهذا الغرض: الانعكاسية الفيزيائية والانعكاسية المنطقية . ^[2]

يقال إن العملية قابلة للعكس فيزيائيًا إذا لم تسفر عن زيادة في الإنتروبيا الفيزيائية ؛ فهي متساوية الإنتروبيا . يوجد أسلوب لتصميم الدوائر يُظهر هذه الخاصية بشكل مثالي ويُشار إليه باسم منطق استعادة الشحنة أو الدوائر الأدياباتية أو الحوسبة الأدياباتية (انظر العملية الأدياباتية ). على الرغم من أنه في الممارسة العملية لا يمكن لأي عملية فيزيائية غير ثابتة أن تكون قابلة للعكس أو متساوية الإنتروبيا فيزيائيًا تمامًا ، فلا يوجد حد معروف للقرب الذي يمكننا من خلاله الاقتراب من الانعكاس المثالي، في الأنظمة المعزولة جيدًا بما يكفي عن التفاعلات مع البيئات الخارجية غير المعروفة، عندما تكون قوانين الفيزياء التي تصف تطور النظام معروفة بدقة.

أحد الدوافع وراء دراسة التقنيات التي تهدف إلى تنفيذ الحوسبة العكسية هو أنها تقدم ما يُتوقع أن يكون الطريقة المحتملة الوحيدة لتحسين كفاءة الطاقة الحسابية (أي العمليات المفيدة التي يتم إجراؤها لكل وحدة طاقة مبددة) لأجهزة الكمبيوتر بما يتجاوز حد فون نيومان-لانداور الأساسي ^{[3] [4]} من طاقة kT ln(2) المبددة لكل عملية بت غير قابلة للعكس . على الرغم من أن حد لانداور كان أقل بملايين المرات من استهلاك الطاقة لأجهزة الكمبيوتر في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين وأقل بآلاف المرات في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، ^[5] يزعم أنصار الحوسبة العكسية أن هذا يمكن أن يُعزى إلى حد كبير إلى النفقات العامة المعمارية التي تكبر بشكل فعال تأثير حد لانداور في تصميمات الدوائر العملية، بحيث قد يكون من الصعب على التكنولوجيا العملية التقدم إلى ما هو أبعد من المستويات الحالية لكفاءة الطاقة إذا لم يتم استخدام مبادئ الحوسبة العكسية. ^[6]

كما زعم رولف لانداور لأول مرة أثناء عمله في شركة آي بي إم ، ^[7] لكي تكون العملية الحسابية قابلة للعكس فعليًا، يجب أن تكون قابلة للعكس منطقيًا أيضًا . مبدأ لانداور هو الملاحظة التي مفادها أن المحو غير المقصود لـ n بت من المعلومات المعروفة يجب أن يتسبب دائمًا في تكلفة nkT ln (2) في الإنتروبيا الديناميكية الحرارية . يقال إن العملية الحسابية المنفصلة والحتمية قابلة للعكس منطقيًا إذا كانت دالة الانتقال التي تربط الحالات الحسابية القديمة بالحالات الجديدة هي دالة فردية ؛ أي أن الحالات المنطقية الناتجة تحدد بشكل فريد الحالات المنطقية المدخلة للعملية الحسابية.

بالنسبة للعمليات الحسابية غير الحتمية (بمعنى كونها احتمالية أو عشوائية)، فإن العلاقة بين الحالات القديمة والجديدة ليست دالة ذات قيمة واحدة ، ويصبح المتطلب اللازم للحصول على الانعكاسية الفيزيائية حالة أضعف قليلاً، أي أن حجم مجموعة معينة من الحالات الحسابية الأولية المحتملة لا يتناقص، في المتوسط، مع تقدم الحساب إلى الأمام.

يمكن أيضًا فهم مبدأ لانداور (والقانون الثاني للديناميكا الحرارية ) على أنه نتيجة منطقية مباشرة للانعكاس الأساسي للفيزياء ، كما ينعكس في صياغة هاملتون العامة للميكانيكا ، وفي عامل التطور الزمني الموحد لميكانيكا الكم بشكل أكثر تحديدًا. ^[8]

إن تنفيذ الحوسبة العكسية يعني تعلم كيفية توصيف الديناميكيات الفيزيائية للآليات والتحكم فيها لتنفيذ العمليات الحسابية المطلوبة بدقة بحيث تتراكم في التجربة كمية إجمالية ضئيلة للغاية من عدم اليقين فيما يتعلق بالحالة الفيزيائية الكاملة للآلية، لكل عملية منطقية يتم إجراؤها. بعبارة أخرى، يجب تتبع حالة الطاقة النشطة التي تشارك في تنفيذ العمليات الحسابية داخل الآلة بدقة، وتصميم الآلة بحيث يتم استعادة غالبية هذه الطاقة في شكل منظم يمكن إعادة استخدامه للعمليات اللاحقة، بدلاً من السماح لها بالتبدد في شكل حرارة.

على الرغم من أن تحقيق هذا الهدف يمثل تحديًا كبيرًا لتصميم وتصنيع وتوصيف آليات فيزيائية جديدة فائقة الدقة للحوسبة ، فلا يوجد في الوقت الحاضر سبب جوهري للاعتقاد بأن هذا الهدف لا يمكن تحقيقه في نهاية المطاف، مما يسمح في يوم من الأيام ببناء أجهزة كمبيوتر تولد أقل بكثير من 1 بت من الإنتروبيا الفيزيائية (وتبدد أقل بكثير من kT ln 2 طاقة للحرارة) لكل عملية منطقية مفيدة تنفذها داخليًا.

اليوم، يحتوي هذا المجال على مجموعة كبيرة من الأدبيات الأكاديمية. وقد قام الفيزيائيون والمهندسون الكهربائيون وعلماء الكمبيوتر بتصميم وتحليل مجموعة واسعة من مفاهيم الأجهزة القابلة للعكس، والبوابات المنطقية ، والدوائر الإلكترونية ، وهندسة المعالجات، ولغات البرمجة ، وخوارزميات التطبيق .

ينتظر هذا المجال من البحث التطوير التفصيلي لتكنولوجيا الأجهزة المنطقية عالية الجودة والفعّالة من حيث التكلفة والقابلة للعكس تقريبًا، والتي تتضمن آليات التوقيت والمزامنة عالية الكفاءة في استخدام الطاقة ، أو تتجنب الحاجة إلى هذه الآليات من خلال التصميم غير المتزامن. ستكون هناك حاجة إلى هذا النوع من التقدم الهندسي القوي قبل أن يتمكن الجسم الكبير من الأبحاث النظرية حول الحوسبة القابلة للعكس من إيجاد تطبيق عملي في تمكين تكنولوجيا الكمبيوتر الحقيقية من التحايل على الحواجز المختلفة في الأمد القريب لكفاءتها في استخدام الطاقة، بما في ذلك حد فون نيومان-لانداور. لا يمكن التحايل على هذا إلا باستخدام الحوسبة القابلة للعكس منطقيًا، وذلك بسبب القانون الثاني للديناميكا الحرارية . ^[9]

لكي تكون عملية حسابية قابلة للعكس منطقيًا، فهذا يعني أنه يمكن حساب الناتج (أو الحالة النهائية) للعملية من المدخل (أو الحالة الأولية)، والعكس صحيح. الدوال القابلة للعكس هي دوال ثنائية الاتجاه . وهذا يعني أن البوابات القابلة للعكس ( والدوائر ، أي تركيبات من بوابات متعددة) تحتوي عمومًا على نفس عدد بتات الإدخال مثل بتات الإخراج (على افتراض أن جميع بتات الإدخال تستهلكها العملية، وأن جميع حالات الإدخال/الإخراج ممكنة).

بوابة العاكس (NOT) قابلة للعكس منطقيًا لأنها يمكن التراجع عنها . ومع ذلك ، قد لا تكون بوابة NOT قابلة للعكس فعليًا، اعتمادًا على تنفيذها.

البوابة الحصرية أو (XOR) غير قابلة للعكس لأنه لا يمكن إعادة بناء مدخليها بشكل لا لبس فيه من مخرجها الفردي، أو بدلاً من ذلك، لأن محو المعلومات غير قابل للعكس. ومع ذلك، يمكن تعريف نسخة قابلة للعكس من بوابة XOR - بوابة NOT المتحكم فيها (CNOT) - من خلال الحفاظ على أحد المدخلات كمخرج ثانٍ. يُطلق على المتغير ثلاثي المدخلات لبوابة CNOT بوابة Toffoli . تحافظ على اثنين من مدخلاتها a وb وتستبدل الثالث c بـ . مع ، يعطي هذا الدالة AND، ومع هذا يعطي الدالة NOT. نظرًا لأن AND وNOT معًا مجموعة كاملة وظيفيًا ، فإن بوابة Toffoli عالمية ويمكنها تنفيذ أي دالة منطقية (إذا تم إعطاء عدد كافٍ من بتات ancilla المبدئية ). ${\displaystyle c\oplus (a\cdot b)}$${\displaystyle c=0}$${\displaystyle a\cdot b=1}$

على نحو مماثل، في نموذج آلة تورينج للحوسبة، فإن آلة تورينج القابلة للعكس هي آلة تكون دالة انتقالها قابلة للعكس، بحيث يكون لكل حالة آلة سابقة واحدة على الأكثر.

اقترح إيف ليسيرف آلة تورينج قابلة للعكس في ورقة بحثية عام 1963، ^[10] ولكن على ما يبدو أنه يجهل مبدأ لانداور، لم يتابع الموضوع أكثر، مكرسًا معظم بقية حياته المهنية لعلم اللغة العرقي. في عام 1973، أظهر تشارلز إتش بينيت ، في IBM Research، أنه يمكن جعل آلة تورينج العالمية قابلة للعكس منطقيًا وديناميكيًا حراريًا، ^[11] وبالتالي قادرة من حيث المبدأ على أداء عدد كبير بشكل تعسفي من خطوات الحساب لكل وحدة من الطاقة الفيزيائية المبددة، إذا تم تشغيلها ببطء كافٍ. يمكن لأجهزة الكمبيوتر القابلة للعكس ترموديناميكيًا إجراء حسابات مفيدة بسرعة مفيدة، مع تبديد أقل بكثير من كيلو تسلا من الطاقة لكل خطوة منطقية. في عام 1982 اقترح إدوارد فريدكين وتوماسو توفولي حاسوب كرة البلياردو ، وهي آلية تستخدم كرات صلبة كلاسيكية لإجراء حسابات عكسية بسرعة محدودة مع تبديد صفري، ولكنها تتطلب محاذاة أولية مثالية لمسارات الكرات، وقارنت مراجعة بينيت ^[12] بين هذه النماذج "البراونية" و"الباليستية" للحسابات العكسية. وبصرف النظر عن الدافع وراء الحوسبة الموفرة للطاقة، قدمت بوابات المنطق العكسية تحسينات عملية لتحويلات التلاعب بالبتات في التشفير والرسومات الحاسوبية. منذ ثمانينيات القرن العشرين، جذبت الدوائر العكسية الاهتمام كمكونات لخوارزميات الكم ، ومؤخرًا في تقنيات الحوسبة الفوتونية والنانوية حيث لا تقدم بعض أجهزة التبديل أي كسب للإشارة .

تتوفر دراسات استقصائية للدوائر القابلة للعكس، وبنائها وتحسينها، فضلاً عن تحديات البحث الحديثة. ^{[13] [14] [15] [16] [17]}

• فرانك، مايكل ب. (2017). "يعتمد مستقبل الحوسبة على جعلها قابلة للعكس" (الويب) / "إلقاء الحوسبة في الاتجاه المعاكس" (نسخة مطبوعة). IEEE Spectrum . 54 (9): 32–37. doi:10.1109/MSPEC.2017.8012237.
• دينينج، بيتر؛ لويس، تيد (2017). "أجهزة الكمبيوتر التي يمكنها العمل بشكل عكسي". العالم الأمريكي . 105 (5): 270. doi :10.1511/2017.105.5.270. hdl : 10945/59278 . S2CID  125446656.
• جلوك، روبرت؛ يوكوياما، تيتسو (2023). "الحوسبة العكسية من منظور لغة البرمجة". علوم الكمبيوتر النظرية . 953 : 113429. doi : 10.1016/j.tcs.2022.06.010 .
• Lange, Klaus-Jörn; McKenzie, Pierre; Tapp, Alain (أبريل 2000). "الفضاء القابل للعكس يساوي الفضاء الحتمي". مجلة علوم الحاسب والنظام . 60 (2): 354-367. doi : 10.1006/jcss.1999.1672 .
• بيرومالا كيه إس (2014)، مقدمة في الحوسبة العكسية ، مطبعة سي آر سي .
• فيتاني، بول (2005). "الزمن والفضاء والطاقة في الحوسبة القابلة للعكس". وقائع المؤتمر الثاني حول حدود الحوسبة – CF '05 . ص 435-444. doi :10.1145/1062261.1062335. ISBN 1595930191. S2CID  5252384.

• مقالة تمهيدية عن الحوسبة العكسية
• ورشة العمل الدولية الأولى حول الحوسبة العكسية
• منشورات مايكل ب. فرانك: ساندي (2015-)، جامعة ولاية فلوريدا (2004-'15)، جامعة فلوريدا (1999-2004)، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا 1996-'99).
• نسخة احتياطية من أرشيف الإنترنت لـ "ويكي مجتمع الحوسبة العكسية" التي أدارها فرانك
• سلسلة ورش عمل ومؤتمرات حول الحوسبة العكسية
• ورشة عمل CCC حول قضايا الفيزياء والهندسة في الحوسبة الكلاسيكية الأدياباتية/القابلة للعكس
• مجموعة أدوات مفتوحة المصدر لتصميم الدوائر القابلة للعكس