Programa alderantzizkagarriak atzeraka exekutatzen dira aurreraka exekutatzen diren erraztasun berarekin, eta, teorian, energia aurrezten dute. Hamarkadak ikertzen eman ostean, laster AA sustatu ahalko dute.
Michael Frankentzat, efizientzia beti kezka nabarmena izan da. 90eko hamarkadan ikaslea zela, adimen artifizialarekiko interesa agertu zuen. Hala ere, teknologia horrek kontsumituko zuen energia ikusita, bere ikerketa beste arlo batera zuzendu zuen. “Konputazioaren muga fisikon gaineko interesa agertzen hasi nintzen” kontatu du. “Zein da eraiki daitekeen ordenagailu efizienteena?”
Laster termodinamikaren berezitasun bat aprobetxatu zuen gailu bat aurkitu zuen: atzera zein aurreraka egin zitzakeen kalkuluak. Datuak ezabatzen ez dituenez, ordenagailu “alderantzizkagarri” horrek energia xahutzea ekidingo luke.
Gaur egun informatika tradizionalaren aurrerakada moteltzen ari da (txip berriek oinarrizko muga fisikoak dituzte, eta ezin dira txikiagoak izan); hori ikusita, informatika alderantzizkagarriak aurrerapen konputazionala martxan manten dezake.
“Ez dago potentzia hobetzeko bestelako modu askorik”, baieztatu du Christof Teuscherek; konputazioaren ikuspegi ez-konbentzionalak ikertzen ditu Portland-eko Estatuko Unibertsitatean. “Konputazio alderantzizkagarriak magnitude ordenak aurrezteko balizko modu onuragarri eta zirraragarria da”.
Beroa sentitzea
Konputazio alderantzizkagarria aztertu zuen lehenengo pertsona Rolf Landauer izan zen, IBMko fisikari ospetsuak, eta 60ko hamarkadan informazioa prozesatzeko arloa ezartzen lagundu duen. Bere lanaren gai nagusietako bat izan zen entropiaren, desordenaren neurrietako bat denaren, eta informazioaren arteko lotura.
Oro har, sistema bati buruz gero eta gehiago jakin, disposizioa gero eta ordenatuagoa izan daiteke; gero eta gutxiago dakigunean, berriz, ordena txikiagoa da. Atomoak aurreikusi daitekeen portaera batetik aurreikusi ezin den mugimendu batera igarotzeak eragiten du prozesu fisiko batzuk atzeraezinak izatea. Adibidez, esnea eta kafea nahastean, desordena areagotu egiten da. Teorian, berriro bana daitezke, esnearen eta kafaren molekulen disposizioa antolatuagoa izateko. Baina, horretarako, esne tanta bakoitzaren ibilbidearen berri izan beharko genuke, eta informazio kopuru hori pentsaezina da.
1961an, Landauerrek erakutsi zuen printzipio horiek ordenagailuetan ere aplikatzen direla. Sistema informatiko batek informazioa ezabatzen duenean, txipetako elektroiak ibilbide ezagunetatik ezezagunetara igarotzen dira. Alde batera utzitako elektroiak galdu egiten dira, eta beren energia desagertzen da, beroa sortuz. Landauerrek erakutsi zuen hori ukaezina dela: ordenagailua eraikitzeko modua edozein dela ere, bero kopuru minimoa isuri behar du ezabatzen duen informazio bit bakoitzeko.
Michael Frank denbora luzez lan egin du ordenagailu alderantzizkagarri praktikoak sortzeko, daturik ezabatzen ez dutenez energia kopuru nabarmena aurreztuko luketelako. Argazkia: Johnny Carroll/Albuquerque Headshot & Portrait
Galera hori ordenagailuen funtzionamenduaren oinarrizko ezaugarria da. Adibidez, ordenagailu batek bi zenbaki gehitzen dituenean, zenbaki bakar bat ematen du guztizko kopuruan: 2 + 2 = 4. Informazioa galtzen da, bi zenbaki izatetik bakarra sortzen delako. 2 eta 2 batu edo 1 eta 3 konbinatu zitekeen. Falta den informazioak kalkulua atzeraezin bihurtzen du. Informazioa horrela prozesatzen duten ordenagailuek —eta gehienek egiten dute— beti informazioa galtzean beroa sortuko dute, gerta ahala gerta.
Landauerrek bere buruari galdetu zion ea makinak muga hori gainditu zezakeen datuak ezabatzen ez bazituen. Gailu horrek operazio bakoitzeko erregistroa mantendu beharko luke, pausu bakoitzean gehitutako zenbaki bikote bakoitzarena. Erregistro horiek azkar beteko lukete ordenagailuaren memoria, eta praktikan erabilezin bihurtuko litzateke, energia aurreztuko balu ere. Landauerrek laster beste bide bati ekin zion, konputazio alderantzizkagarria irtenbiderik gabeko ibilbidea zelakoan; hala ere, hamar urte beranduago, baieztapen hori okerra zela jakin zuen.
Atzeraka egitea
Charles Bennett IBMen aritzen zen Landauerren lagun gazte bat zen, eta 1973an beste aukera bat zegoela argudiatu zuen. Informazio puska bakoitza gorde beharrean, kalkulua aurrerantz egin zitekeen, intereseko emaitza bakarrik biltegiratzeko, eta gero atzerantz kalkulua desegiteko. Bennetten ideia, deskonputazio (uncomputation) izenez ezaguna da, eta Hansel eta Gretel etxerako bidean ogi puskak jasotzearen antzekoa lirateke: galduko ez direla bermatzeaz gain, ez dute ogi puskarik xahutuko. Deskonputazioaren arabera, soilik gorde nahi ditugun datuak gordetzen dira, begi bistatik galdu gabe. Hasierako informaziorik ezabatzen ez denez, ez da energia galdu eta beroa sortzen.
Tamalez, deskonputazioak kalkulu arrunt batek baino bi aldiz denbora gehiago darama, eta, hortaz, ez da hain praktikoa.
Hala ere, Bennettek bere ideia hobetzen jarraitu zuen. 1989an, erakutsi zuen denbora gutxiagoan deskonputatu daitekeela memoria gehiago erabiliz. Ikertzaileek xehetasunak doitzen hasi ziren eta memoria eta denbora aurrezteko modua aurkitu zituzten.
Hala ere, ordenagailuek ez dute energia galtzen soilik datuak ezabatzen dituztenean. Transistoreak konektatzeko modua berariaz ez da eraginkorra; hortaz, konputazio alderantzikagarriaren bitartez ordenagailu batek informazio kopuru adierazgarria aurreztu ahal izateko, hasiera-hasieratik bero gutxi galtzeko diseinatu behar da.
90eko hamarkadan, Massachusettseko Institutu Teknologikoko (MIT) ingeniari talde baten helburua hori zen, hain zuzen ere. Taldeak efizienteak ez ziren zirkuituak hobetu zituzten txipen prototipoak eraiki zituzten. Frank taldean sartu zen doktorego ikasle gisa 1995ean, eta laster konputazio alderantzikagarriaren sustatzaile nagusietariko bat izan zen.
Aurrerago, milurteko berriaren hasien, interesak behera egin zuen. Txipek ez zeukaten beharrezkoa zena mundu errealean energia aurrezteko, eta babes gutxi zuen.
“Proiektuaren berrikusleek hau zioten: “Oso erabilgarria dirudi, industriak finantzatu beharko luke”; hala ere, industriara jotzekotan, inork ez zekien zeri buruz ari ziren” kontatu du Frankek. “Zorakeria zirudien”, urrunekoa zirudien arazo bat jorratzen baitzuen. Ohiko ordenagailu txipak esponentzialki hobetzen ari ziren. Zergatik kezkatu, beraz, alternatiba teorikoekin?
Frankek lana alde batera utzi zuen, eta denbora tarte batez sektorea utzi zuen, ziberkafe bat irekitzeko. Baina berehala industriak urrunekotzat jotzen zuen kezka hurbil zeukaten. Zirkuitu informatikoak hain ziren txikiak, ezen muga fisikoetara hurbiltzen ari ziren, eta ezingo ziren txikiagoak izan.
“Ez da posiblea izango teknologia arruntaren eskala handitzea” adierazi du.
Frankek ikertalde bat sortu zuen Sandia National Labsen eta arreta energia efizientziara bideratzen saiatu zen.
Beranduago, 2022an, Hannah Earley Cambridgeko Unibertsitateko ikertzaileak ordenagailu horien efizientziari buruzko azterlan zehatza aurkeztu zuen. Ordenagailu alderantzizkagarri batek ordenagailu arrunt batek baino bero gutxiago sortzen duen arren, deskubritu zuen beroa sortu behar duela, gutxi bada ere. Kable bati tentsioa aplikatzean, adibidez, metala berotu egiten da; zenbat eta bero handiagoa, orduan eta tentsio-aldaketako abiadura handiagoa. Ordenagailu alderantzizkagarri batek gero eta mantsoago funtzionatu, gero eta bero gutxiago sortzen du; erlazio hori Earleyk zehaztasunez kalkulatu zuen.
Beroaren eta abiaduraren arteko erlazio hori ezinbestekoa da konputazio alderantzizkagarriaren etorkizun handieneko aplikaziorako: AA. AAko kalkuluak paraleloan exekutatu ohi dira, eta, hortaz, prozesadore bakoitzak kalkuluaren zati bat exekutatzen du. Horrek aukera ematen du konputazio alderantzizkagarria nabarmentzeko. Txip alderantzizkagarri gehiago abiadura txikiagoan exekutatzen badira, energia aurrezten da: txip bakoitza motelago exekutatzearen abantailak txip gutxiago exekutatzeko desabantaila gainditzen du. Eta, abiadura nahikoan exekutatzen badira, hainbeste hozteko beharra ekidin daiteke; hortaz, txipak hurbilago metatu ahalko dira, tokia, materialak eta denbora aurrezteko datuak trukatzean.
Inbertsoreek gogoan hartu dute. Earleyk Vaire Computing kosortu zuten, eta bertan ari da lanean Frankekin batera, txip alderantzizkagarri baten merkaturatzeko bertsioa sortzeko.
Teoria lantzen hamarkadak eman ostean, badirudi ikuspegi hori martxan ikusiko dugula azkenean, adierazi du Torben Ægidius Mogensenek, zeinak Kopenhageko Unibertsitatean konputazio alderantzizkagarriaren arloan lan egiten duen. “Zirraragarriena litzateke fabrikatutako prozesadore alderantzizkagarriak ikustea, erabili ahal izateko”.
Jatorrizko artikulua:
Zack Savitsky. (2025). How the Universe Differs From Its Mirror Image, Quanta Magazine, 2025ko maiatzaren 25a. Quanta Magazine aldizkariaren baimenarekin berrinprimatua.