La promesse fantastique de l'informatique réversible

Le monde de l'informatique est en transition. Au fur et à mesure que les copeaux deviennent plus petits et plus rapides, ils dissipent plus de chaleur, qui est une énergie entièrement gaspillée.

Selon certaines estimations, la différence entre la quantité d'énergie nécessaire pour effectuer un calcul et la quantité que les ordinateurs actuels utilisent réellement est d'environ huit ordres de grandeur. De toute évidence, il y a place à amélioration.

La recherche est donc lancée pour trouver des formes de calcul plus efficaces, et les options ne manquent pas.

L'informatique réversible est l'un des coureurs extérieurs dans la course pour prendre d'assaut le monde de la logique. Les informaticiens entendent par là des calculs qui se déroulent par étapes réversibles dans le temps.

Donc si une porte logique change une entrée X en une sortie Y, alors il y a une opération inverse qui inverse cette étape. Surtout, il doit s'agir de mappages un à un, ce qui signifie qu'une entrée donnée produit une seule sortie unique.

Ces exigences de réversibilité imposent des contraintes strictes sur les types de systèmes physiques pouvant effectuer ce type de travail, sans parler de leur conception et de leur fabrication. Les puces informatiques ordinaires ne sont pas admissibles - leurs portes logiques ne sont pas réversibles et elles souffrent également d'un autre problème.

Lorsque les portes logiques classiques produisent plusieurs sorties, certaines d'entre elles ne sont pas utilisées et l'énergie nécessaire pour les générer est tout simplement perdue. Ceux-ci sont connus sous le nom d'états indésirables. La minimisation des sorties de déchets est l'un des principaux objectifs de la conception et de la synthèse logiques réversibles, déclarent Himanshu Thapliyal et Nagarajan Ranganathan à l'Université de Floride du Sud.

Aujourd'hui, ils proposent une nouvelle façon de détecter les erreurs dans les calculs et disent que leur méthode est idéalement applicable au calcul réversible et, qui plus est, réduit naturellement le nombre d'états parasites qu'un calcul produit.

Avant d'aborder leur approche, revenons rapidement sur une méthode conventionnelle de détection d'erreurs. Cela implique simplement de faire le calcul deux fois et de comparer les résultats. S'ils sont identiques, le calcul est considéré comme sans erreur.

Cette méthode a une limitation évidente si le calcul original et sa duplication font tous deux la même erreur.

Thapliyal et Ranganathan ont une approche différente qui contourne ce problème. Si un calcul réversible produit une série de sorties, alors le calcul inverse sur ces sorties doit reproduire les états d'origine.

Leur idée est donc d'effectuer le calcul inverse sur les états de sortie et si cela reproduit les états d'origine, alors le calcul est sans erreur. Et parce que cela repose sur des étapes logiques réversibles, cela minimise naturellement la quantité d'états parasites qui sont produits entre les deux.

Il y a bien sûr une ou deux mises en garde. La première est que personne n'a réussi à construire une porte logique proprement réversible donc ce travail est entièrement théorique.

Mais il existe un certain nombre de schémas informatiques qui ont le potentiel de fonctionner comme ça. Thapliyal et Ranganathan soulignent en particulier la technologie émergente des automates cellulaires quantiques et montrent comment leur approche pourrait être appliquée.

La beauté de cette approche est qu'elle a le potentiel d'être sans dissipation. Ainsi, non seulement il utiliserait beaucoup moins d'énergie que l'informatique conventionnelle, mais il n'aurait pas besoin de perdre du tout d'énergie. Du moins en théorie.

À première vue, cela semble contredire l'un des fondements de l'informatique : le principe de Rolf Landauer selon lequel l'effacement d'une information dissipe toujours une petite quantité d'énergie sous forme de chaleur. C'est la raison fondamentale pour laquelle les puces conventionnelles deviennent si chaudes.

Mais ce principe n'a pas besoin de s'appliquer au calcul réversible car si aucun bit n'est effacé, aucune énergie n'est dissipée. En fait, il n'y a pas de limite connue à l'efficacité du calcul réversible. Si un processus physique parfaitement réversible peut être trouvé pour transporter et traiter les bits, alors l'informatique pourrait devenir sans dissipation.

Pour le moment, c'est un rêve fou. Mais au cours des prochaines années, alors que les processus quantiques commenceront à jouer un rôle plus important dans le calcul de toutes sortes, nous pourrions bien entendre beaucoup plus parler de l'informatique réversible et de son potentiel pour réduire l'énergie gaspillée dans l'informatique.

Réf : arxiv.org/abs/1101.4222 : Méthodologie de détection d'erreurs simultanées basée sur une logique réversible pour les nanocircuits émergents

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