الحوسبة العكسية تهرب من المختبر

أمضى مايكل فرانك حياته المهنية كباحث أكاديمي يعمل على مدى ثلاثة عقود في مجال غريب جدًا من هندسة الكمبيوتر. وفقًا لفرانك، فقد حان وقت هذا التخصص الغريب أخيرًا. يقول فرانك: “لقد قررت في وقت سابق من هذا العام أن هذا هو الوقت المناسب لمحاولة تسويق هذه الأشياء”. وفي يوليو 2024، ترك منصبه كعالم هندسة كبير في مختبرات سانديا الوطنية للانضمام إلى شركة Vaire Computing الناشئة في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة.

يجادل فرانك بأن هذا هو الوقت المناسب لنقل عمل حياته – الذي يسمى الحوسبة العكسية – من الأوساط الأكاديمية إلى العالم الحقيقي لأن صناعة الحوسبة تستنزف الطاقة. يقول فرانك: “إننا نقترب أكثر فأكثر من نهاية توسيع نطاق كفاءة استخدام الطاقة في الرقائق التقليدية”. وفقًا لتقرير خريطة طريق صناعة أشباه الموصلات الصادر عن معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE)، والذي ساعد فرانك في تحريره، بحلول أواخر هذا العقد، ستصل كفاءة الطاقة الأساسية للمنطق الرقمي التقليدي إلى مستوى ثابت، و”سوف يتطلب الأمر المزيد من الأساليب غير التقليدية مثل ما نسعى إليه”، كما يقول. .

مع تعثر قانون مور وتباطؤ قانون كومي الذي يركز على الطاقة، قد يكون من الضروري وجود نموذج جديد لتلبية متطلبات الحوسبة المتزايدة في عالم اليوم. ووفقاً لبحث فرانك في سانديا، في ألبوكيرك، فإن الحوسبة العكسية قد توفر ما يصل إلى 4000 مرة من مكاسب كفاءة استخدام الطاقة مقارنة بالطرق التقليدية.

يقول إريك ديبينديكتيس، مؤسس زيتافلوبس، الذي لا ينتمي إلى شركة فاير: “لقد انهار قانون مور نوعًا ما، أو أنه تباطأ حقًا”. “إن الحوسبة العكسية هي واحدة من عدد قليل من الخيارات لإعادة تنشيط قانون مور، أو الحصول على بعض التحسينات الإضافية في كفاءة استخدام الطاقة.”

النموذج الأولي الأول لشركة Vaire، المتوقع تصنيعه في الربع الأول من عام 2025، أقل طموحًا، فهو ينتج شريحة تستعيد، لأول مرة، الطاقة المستخدمة في الدائرة الحسابية. ستكون الشريحة التالية، التي من المتوقع أن تصل إلى السوق في عام 2027، عبارة عن معالج موفر للطاقة متخصص في استدلال الذكاء الاصطناعي. إن تحسين كفاءة استخدام الطاقة بمقدار 4000x موجود على خريطة طريق Vaire ولكن ربما بعد 10 أو 15 عامًا.

يقول هيمانشو ثابليال، الأستاذ المشارك في الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر بجامعة تينيسي، نوكسفيل، الذي لا ينتمي إلى شركة فاير: “أشعر أن التكنولوجيا واعدة”. “ولكن هناك بعض التحديات أيضًا، ونأمل أن تتمكن Vaire Computing من التغلب على بعض التحديات.”

ما هي الحوسبة العكسية؟

حدسيًا، قد تبدو المعلومات وكأنها مفهوم مجرد سريع الزوال. لكن في عام 1961، اكتشف رولف لانداور من شركة IBM حقيقة مفاجئة: إن محو جزء صغير من المعلومات في جهاز كمبيوتر يكلف بالضرورة طاقة، والتي تُفقد على شكل حرارة. وخطر لـ Landauer أنه إذا كنت ستجري عمليات حسابية دون محو أي معلومات، أو “بشكل عكسي”، فيمكنك، على الأقل من الناحية النظرية، إجراء العمليات الحسابية دون استخدام أي طاقة على الإطلاق.

اعتبر لانداور نفسه الفكرة غير عملية. إذا قمت بتخزين كل المدخلات ونتائج الحساب المتوسطة، فسوف تملأ الذاكرة بسرعة بالبيانات غير الضرورية. لكن خليفة لانداور، تشارلز بينيت من شركة IBM، اكتشف حلاً بديلاً لهذه المشكلة. بدلاً من مجرد تخزين النتائج الوسيطة في الذاكرة، يمكنك عكس الحساب، أو “إلغاء الحساب”، بمجرد عدم الحاجة إلى هذه النتيجة. بهذه الطريقة، يجب تخزين المدخلات الأصلية والنتيجة النهائية فقط.

خذ مثالا بسيطا، مثل بوابة OR الحصرية، أو XOR. في العادة، لا تكون البوابة قابلة للعكس — فهناك مدخلان ومخرج واحد فقط، ومعرفة المخرجات لا تمنحك معلومات كاملة حول ماهية المدخلات. ويمكن إجراء نفس الحساب بشكل عكسي عن طريق إضافة مخرجات إضافية، وهي نسخة من أحد المدخلات الأصلية. بعد ذلك، باستخدام المخرجين، يمكن استعادة المدخلات الأصلية في خطوة إلغاء الحساب.

لا يمكن عكس بوابة OR الحصرية التقليدية (XOR)، إذ لا يمكنك استعادة المدخلات فقط من خلال معرفة المخرجات. إن إضافة مخرج إضافي، مجرد نسخة من أحد المدخلات، يجعلها قابلة للعكس. بعد ذلك، يمكن استخدام المخرجين “لإلغاء حساب” بوابة XOR واستعادة المدخلات، ومعها الطاقة المستخدمة في الحساب.

استمرت الفكرة في اكتساب الاهتمام الأكاديمي، وفي التسعينيات، شرع العديد من الطلاب الذين يعملون تحت إشراف توماس نايت من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في سلسلة من العروض التوضيحية لإثبات المبدأ لرقائق الحوسبة القابلة للعكس. وكان أحد هؤلاء الطلاب فرانك. في حين أظهرت هذه العروض التوضيحية أن الحساب العكسي كان ممكنًا، لم يتم تقليل استخدام الطاقة من قابس الحائط بالضرورة: على الرغم من استعادة الطاقة داخل الدائرة نفسها، فقد فُقدت لاحقًا داخل مصدر الطاقة الخارجي. هذه هي المشكلة التي شرع فير في حلها.

الحوسبة بشكل عكسي في CMOS

يعطي حد Landauer حدًا أدنى نظريًا لتكاليف محو معلومات الطاقة، ولكن لا يوجد حد أقصى. تستخدم تطبيقات CMOS اليوم أكثر من ألف مرة من الطاقة لمحو جزء صغير مما هو ممكن نظريًا. ويرجع ذلك في الغالب إلى أن الترانزستورات تحتاج إلى الحفاظ على طاقات إشارة عالية من أجل الموثوقية، وفي ظل التشغيل العادي تتبدد كل هذه الطاقة على شكل حرارة.

لتجنب هذه المشكلة، تم النظر في العديد من التطبيقات الفيزيائية البديلة للدوائر القابلة للعكس، بما في ذلك أجهزة الكمبيوتر فائقة التوصيل، والآلات الجزيئية، وحتى الخلايا الحية. ومع ذلك، لجعل الحوسبة العكسية عملية، يلتزم فريق Vaire بتقنيات CMOS التقليدية. تقول هانا إيرلي، كبيرة مسؤولي التكنولوجيا والمؤسس المشارك لشركة Vaire: “إن الحوسبة العكسية تحدث تغييرًا جذريًا بما فيه الكفاية”. “لا نريد تعطيل كل شيء آخر في نفس الوقت.”

ولجعل CMOS يلعب بشكل جيد مع قابلية الانعكاس، كان على الباحثين أن يتوصلوا إلى طرق ذكية لاستعادة وإعادة تدوير طاقة الإشارة هذه. يقول إيرلي: “ليس من الواضح على الفور كيفية جعل CMOS يعمل بشكل عكسي”.

الطريقة الرئيسية لتقليل توليد الحرارة غير الضرورية في استخدام الترانزستورات – لتشغيلها بشكل ثابت – هي زيادة جهد التحكم ببطء بدلاً من القفز عليه لأعلى أو لأسفل فجأة. يمكن القيام بذلك دون إضافة وقت حسابي إضافي، كما يقول إيرلي، لأن أوقات تبديل الترانزستور حاليًا تظل بطيئة نسبيًا لتجنب توليد الكثير من الحرارة. لذلك، يمكنك الحفاظ على وقت التبديل كما هو وتغيير شكل الموجة الذي يقوم بالتبديل، مما يوفر الطاقة. ومع ذلك، فإن التبديل الأديابي يتطلب شيئًا ما لتوليد أشكال موجية أكثر تعقيدًا.

لا يزال الأمر يتطلب طاقة للقلب قليلاً من 0 إلى 1، مما يؤدي إلى تغيير جهد البوابة على الترانزستور من حالته المنخفضة إلى الحالة العالية. الحيلة هي أنه طالما أنك لا تقوم بتحويل الطاقة إلى حرارة ولكنك تقوم بتخزين معظمها في الترانزستور نفسه، فيمكنك استرداد معظم تلك الطاقة أثناء خطوة فك الحساب، حيث يتم عكس أي حساب لم تعد هناك حاجة إليه. ويوضح إيرلي أن طريقة استعادة تلك الطاقة هي من خلال دمج الدائرة بأكملها في مرنان.

الرنان يشبه البندول المتأرجح. إذا لم يكن هناك احتكاك من مفصل البندول أو الهواء المحيط، فإن البندول سوف يتأرجح إلى الأبد، ويرتفع إلى نفس الارتفاع مع كل أرجحة. هنا، تأرجح البندول هو ارتفاع وانخفاض في الجهد الذي يغذي الدائرة. في كل صعود، يتم تنفيذ خطوة حسابية واحدة. في كل هبوط، يتم تنفيذ عملية التفكيك، واستعادة الطاقة.

في كل تنفيذ حقيقي، لا يزال هناك قدر من الطاقة يُفقد مع كل تأرجح، لذا يحتاج البندول إلى بعض الطاقة ليواصل عمله. لكن نهج فاير يمهد الطريق لتقليل هذا الاحتكاك. يؤدي تضمين الدائرة في مرنان في نفس الوقت إلى إنشاء أشكال موجية أكثر تعقيدًا مطلوبة لتبديل الترانزستور الأدياباتي ويوفر آلية لاستعادة الطاقة المحفوظة.

الطريق الطويل نحو الجدوى التجارية

على الرغم من أن فكرة تضمين المنطق العكسي داخل الرنان قد تم تطويرها من قبل، إلا أنه لم يقم أحد بعد ببناء مرنان يدمج الرنان على الشريحة مع قلب الحوسبة. يعمل فريق Vaire بجد على الإصدار الأول من هذه الشريحة. إن أبسط مرنان يمكن تنفيذه، والذي يعالجه الفريق أولاً، هو مرنان ذو سعة حثي (LC)، حيث يتم لعب دور المكثف بواسطة الدائرة بأكملها ويعمل مغو على الرقاقة على الحفاظ على تذبذب الجهد.

ستكون شريحة Vaire التي تخطط لإرسالها للتصنيع في أوائل عام 2025 بمثابة أداة عكسية مدمجة في مرنان LC. ويعمل الفريق أيضًا على شريحة من شأنها إجراء عملية التراكم المضاعفة، وهي الحساب الأساسي في معظم تطبيقات التعلم الآلي. وفي السنوات التالية، يخطط Vaire لتصميم أول شريحة قابلة للعكس متخصصة في استدلال الذكاء الاصطناعي.

يقول فرانك: “قد تكون بعض شرائح الاختبار المبكرة لدينا عبارة عن أنظمة منخفضة التكلفة، وخاصة البيئات ذات الطاقة المحدودة، ولكن بعد فترة وجيزة من ذلك، فإننا نتعامل مع الأسواق المتطورة أيضًا”.

تعد مرنانات LC هي الطريقة الأكثر مباشرة للتنفيذ في CMOS، ولكنها تأتي مع عوامل جودة منخفضة نسبيًا، مما يعني أن بندول الجهد سوف يعمل مع بعض الاحتكاك. يعمل فريق Vaire أيضًا على دمج إصدار مرنان للأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS)، والذي يصعب دمجه على الشريحة ولكنه يعد بعوامل جودة أعلى بكثير (احتكاك أقل). ويتوقع إيرلي أن يوفر الرنان المعتمد على MEMS في النهاية عملية خالية من الاحتكاك بنسبة 99.97 بالمائة.

وعلى طول الطريق، يقوم الفريق بتصميم معماريات بوابة منطقية عكسية جديدة وأدوات أتمتة التصميم الإلكتروني للحسابات العكسية. يقول فرانك: “أعتقد أن معظم التحديات التي نواجهها ستكون في التصنيع المخصص والتكامل المغاير من أجل الجمع بين دوائر الرنان الفعالة مع المنطق في منتج واحد متكامل”.

يأمل إيرلي أن تكون هذه هي التحديات التي ستتغلب عليها الشركة. “من حيث المبدأ، هذا يسمح [us]”، على مدى السنوات العشر إلى الخمس عشرة القادمة، للوصول إلى تحسن في الأداء بمقدار 4000 مرة”. “في الواقع، سيعتمد الأمر على مدى جودة الرنان الذي يمكنك الحصول عليه.”