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La fantástica promesa de la informática reversible
El mundo de la informática está en transición. A medida que los chips se vuelven más pequeños y más rápidos, disipan más calor, que es energía que se desperdicia por completo.
Según algunas estimaciones, la diferencia entre la cantidad de energía necesaria para realizar un cálculo y la cantidad que utilizan realmente las computadoras actuales es de unos ocho órdenes de magnitud. Claramente, hay margen de mejora.
Así que la búsqueda está en marcha para encontrar formas de cálculo más eficientes, y no hay escasez de opciones.
Uno de los corredores externos en la carrera por conquistar el mundo de la lógica es la informática reversible. Con eso, los científicos de la computación se refieren a la computación que se lleva a cabo en pasos que son reversibles en el tiempo.
Entonces, si una puerta lógica cambia una entrada X en una salida Y, entonces hay una operación inversa que invierte este paso. Fundamentalmente, estas deben ser asignaciones uno a uno, lo que significa que una entrada determinada produce una única salida única.
Estos requisitos de reversibilidad imponen fuertes restricciones a los tipos de sistemas físicos que pueden realizar este tipo de trabajo, sin mencionar su diseño y fabricación. Los chips de computadora ordinarios no califican, sus puertas lógicas no son reversibles y también tienen otro problema.
Cuando las puertas lógicas convencionales producen varias salidas, algunas de ellas no se utilizan y la energía necesaria para generarlas simplemente se pierde. Estos se conocen como estados basura. La minimización de las salidas de basura es uno de los principales objetivos en el diseño y la síntesis de lógica reversible, dicen Himanshu Thapliyal y Nagarajan Ranganathan de la Universidad del Sur de Florida.
Hoy, proponen una nueva forma de detectar errores en los cálculos y dicen que su método es idealmente aplicable a la computación reversible y, lo que es más, naturalmente reduce la cantidad de estados basura que produce una computación.
Antes de analizar su enfoque, repasemos rápidamente un método convencional de detección de errores. Esto simplemente implica hacer el cálculo dos veces y comparar los resultados. Si son iguales, entonces el cálculo se considera libre de errores.
Este método tiene una limitación obvia si el cálculo original y su duplicación cometen el mismo error.
Thapliyal y Ranganathan tienen un enfoque diferente que soluciona este problema. Si un cálculo reversible produce una serie de salidas, entonces el cálculo inverso de estas salidas debería reproducir los estados originales.
Entonces, su idea es realizar el cálculo inverso en los estados de salida y si esto reproduce los estados originales, entonces el cálculo está libre de errores. Y debido a que esto se basa en pasos lógicos reversibles, naturalmente minimiza la cantidad de estados basura que se producen en el medio.
Hay una o dos advertencias, por supuesto. La primera es que nadie ha logrado construir una puerta lógica adecuadamente reversible, por lo que este trabajo es completamente teórico.
Pero hay varios esquemas informáticos que tienen el potencial de funcionar así. Thapliyal y Ranganathan señalan en particular la tecnología emergente de los autómatas celulares cuánticos y muestran cómo podría aplicarse su enfoque.
La belleza de este enfoque es que tiene el potencial de no disiparse. Entonces, no solo usaría mucha menos energía que la computación convencional, sino que no necesitaría perder energía en absoluto. Al menos en teoría.
A primera vista, eso parece contradecir uno de los fundamentos de la informática: el principio de Rolf Landauer de que el borrado de un poco de información siempre disipa una pequeña cantidad de energía en forma de calor. Esta es la razón básica por la que los chips convencionales se calientan tanto.
Pero este principio no necesita aplicarse a la computación reversible porque si no se borran bits, no se disipa energía. De hecho, no existe un límite conocido para la eficiencia de la computación reversible. Si se puede encontrar un proceso físico perfectamente reversible para transportar y procesar los bits, entonces la computación podría liberarse de la disipación.
Por el momento, ese es un sueño salvaje. Pero en los próximos años, a medida que los procesos cuánticos comiencen a desempeñar un papel más importante en la computación de todo tipo, es posible que escuchemos mucho más sobre la computación reversible y su potencial para reducir la energía desperdiciada en la computación.
Ref: arxiv.org/abs/1101.4222 : Metodología de detección de errores concurrentes basada en lógica reversible para nanocircuitos emergentes