摩尔定律将失效，可逆计算有望顶上

50多年来，计算机技术快速发展，这要归功于摩尔定律——在指定尺寸的集成电路上可容纳的晶体管数量随时间呈指数式增长。摩尔定律的成功是因为随着晶体管的变小，其价格更便宜、速度更快、更节能。这使得半导体制造技术的再投资得以实现，从而制造出更小、更密集的晶体管。因此，这一良性循环持续了数十年。但产业界、学术界和政府研究部门专家预计，半导体微型化的趋势不会持续太久了——或许5年或许10年。通过缩小晶体管来实现发展的时代已经一去不复返了。十多年前，小型晶体管的物理特性导致时钟速度升级遇到瓶颈，行业便开始制造多核芯片。但即便是多核架构也必须应对越来越多的暗硅带来的挑战。所谓暗硅，是为避免芯片过热而处于关闭状态的区域。

半导体行业正全力以赴地试图保持微型化的发展，但无论如何都无法改变物理定律。在不远的将来，终会有那么一个时刻，使用较小芯片的新计算机绝不会比上一代计算机更便宜、运转更快、更节能。到那时，传统半导体技术的发展就停止了。

那么非传统半导体技术，比如碳纳米管晶体管、隧穿晶体管或自旋电子器件会怎样呢？不幸的是，阻碍今天互补金属氧化物半导体（CMOS）技术进步的很多根本性物理障碍经过改良后仍存在于那些器件中。未来几年可能还会实现一定的发展，但要想维持数十年，仅靠新器件是不够的，我们需要重新思考最根本的计算概念。

回顾整个计算机发展的历史，计算机在执行计算的过程中，在某种程度上故意丢失一些信息（破坏性地覆盖信息）。但几十年来，我们已经知道，原则上是可以在不损失信息的前提下执行任何计算的，也就是说，计算可以被逆转，恢复其之前的状态。这种可逆计算的观点深入热力学和信息理论的核心。事实上，从目前乃至未来来看，它是物理定律中唯一可能持续降低通用计算成本、提高其能效的途径。

过去，很少有人关注可逆计算。这是因为可逆计算难以实现，而且传统技术一直在发展，人们自然不会舍易求难。但现在来看，世界上最好的物理学家和工程师准备着手全力研究可逆计算，其大发展的时机已经到来。

可逆计算的诞生可追溯到IBM的物理学家罗尔夫的一项研究，他于1961年发表了一篇题为《计算过程中的不可逆性和热生成》的论文，认为传统计算操作逻辑上的不可逆性直接影响操作设备的热力学行为。以零摩擦的理想型台球为例。如果你要拍摄一段影片，记录台球撞到其他球或挡板后被反弹，那么无论是正着看还是倒着看，影片看起来都很正常。碰撞物理学也是一样的道理。你可以根据球体以前的状态推算出以后的状态，反之亦然。

这种基本的可逆性同样适用于量子物理学。因此，物理系统两种不同的具体状态不能演化为一种完全相同的状态，否则就无法通过后来的状态判断出之前的状态。换言之，物理学最低层次的信息不能被毁灭。

物理学的可逆性意味着我们永远无法彻底消除计算机中的信息。当1比特信息被新的信息覆盖时，此前的信息可能丧失了实际用途，但不会真正在物理意义上被销毁，而是被推入机器的热环境中，成为信息熵，其本质是一种随机信息，以热的形式表现出来。

再回到台球上。假设球体、挡板和毛毡存在摩擦力，那么，两种不同的初始位形可能最终回归同一种状态——球都停留在一边。信息的摩擦损耗会产生热量，不过热量很少。

今天的计算机无时无刻不在擦除信息，导致以传统方式设计的每一个活跃的逻辑门都在破坏性地覆盖其此前输出的信息，浪费了能量。传统的计算机本质上是一台昂贵的电热器，少量的计算只是它的副业。

它产生了多少热量呢？兰道尔推断（后经实验证实），室温环境下，每1比特的信息擦除要消耗至少17‰电子伏特。这一数字很不起眼，但所有操作产生的热量累加后得出的数字就很惊人了。实际上，当下CMOS技术的热量消耗比兰道尔所计算的热量消耗要多得多，每1比特的信息擦除要消耗约5000电子伏特。在这方面，标准CMOS设计能有所改进，但也不会低于500电子伏特，依然远远高于兰道尔说的下限值。

可逆计算的应用无疑将带来计算机技术发展的变革。但是，可逆计算的实现绝非易事，工程方面的障碍不容小觑。要通过任何技术实现高效的可逆计算，都可能需要对整个芯片设计基础架构进行全面改革。我们还需要就新设计方法的使用对从事数字工程的大部分人员进行再培训。我认为，未来几十年，在教育、研究和开发方面的新增投资很可能会达到数十亿美元。这是计算领域的一次“登月计划”。

但这些困难重重的挑战并不是我们逃避的借口。我们正处在计算技术发展的历史性时刻，必须尽快选择一条道路。

如果我们继续墨守成规，那便意味着放弃计算机的未来，接受硬件能效的发展很快将趋于停滞的事实。即便是像模拟神经元计算和尖峰神经元计算这样的非传统概念，如果不对其进行可逆设计，最终也会道尽途穷。即使量子计算取得了突破性进展，也只会显著加快一些高度专业化的计算，而对一般性的计算毫无帮助。

但是，如果我们决定在可逆计算领域开辟一条新路，就可能对我们未来持久地改进计算技术产生深远的影响。在物理学中，通过消耗一定能量来执行的可逆计算量没有上限。因此，如果我们能大胆抓住机遇，迎接挑战，那么计算的未来前景将无可限量。

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