[ Pobierz całość w formacie PDF ]
słyszymy przy zapalaniu światła w pokoju, oznacza, że część energii, jaką zużyliśmy na
uruchomienie przełącznika, rozeszła się w postaci fal dzwiękowych; pozostała część przekształca
się na ciepło wewnątrz przełącznika. Ten wydatek energii jest celowo założony przy
projektowaniu przełącznika, aby oba stany, w jakich może się on znajdować - włączony i
wyłączony - odznaczały się stabilnością. Gdyby przełączanie stanów nie wiązało się z
wydatkowaniem energii, groziłoby to tym, że przełącznik będzie przechodził samoczynnie ze
stanu do stanu.
Rozproszenie energii przy przełączaniu jest procesem nieodwracalnym. Ciepło rozchodzi
się w otoczeniu i jest bezpowrotnie stracone. Nie jest możliwe skupienie w jakiś sposób
rozproszonej energii cieplnej i wykorzystanie jej do jakichkolwiek użytecznych celów bez dalszej
utraty równie wielkiej ilości energii w tym procesie. Jest to przykład działania drugiego prawa
termodynamiki, które zabrania takiego darmowego spożytkowywania rozproszonej energii
cieplnej. Niektórzy informatycy zwrócili jednak uwagę na to, że drugie prawo termodynamiki
jest prawem statystycznym obowiązującym w układach o wielu stopniach swobody. W istocie
same pojęcia ciepła i entropii związane są z chaotycznym ruchem cząsteczek, toteż mają sens
jedynie dla dużej liczby cząsteczek. Gdyby komputery udało się zminiaturyzować do tego
stopnia, że elementarne obwody logiczne składałyby się z kilku cząsteczek, czyż nie dałoby się
całkowicie wyeliminować wydzielania ciepła?
Jednakże wydawało się, że istnieją pewne przeszkody natury ogólnej nie pozwalające na
zrealizowanie tej idei. Wezmy na przykład pod uwagę opisaną w poprzednim rozdziale bramkę
I . Na wejściu mamy dwa kanały (przewody), na wyjściu tylko jeden. Cały cel operacji
koniunkcji sprowadza się do zamiany dwóch sygnałów na wejściu w jeden sygnał na wyjściu. Od
razu widać, że nie może to być proces odwracamy, gdyż nie ma możliwości odróżnienia, czy
brak impulsu na wyjściu spowodowany był brakiem impulsu w jednym przewodzie na wejściu, w
drugim czy też w obydwu. To zasadnicze ograniczenie stanowi odzwierciedlenie oczywistego
faktu, że w zwykłych działaniach arytmetycznych możemy podać odpowiedzi znając pytanie,
lecz nie na odwrót: w ogólnym przypadku nie jest możliwe wywnioskowanie pytań ze znanych
odpowiedzi. Jeżeli ktoś nam powie, że wynikiem pewnego sumowania jest liczba 4, składnikami
tej sumy mogły być 2 + 2, 3 + l lub 4 + 0. Mogłoby się zatem wydawać, że żaden komputer nie
może być puszczony do tyłu z przyczyn czysto logicznych.
W rozumowaniu tym jest jednak pewna luka, którą niedawno odkryli Rolf Landauer i
Charles Bennett z IBM. Przyjrzeli się oni bliżej nieodwracalności jako rzekomo nieodłącznej
własności procesu obliczeniowego i stwierdzili, że bierze się ona z odrzucania informacji.
Obliczając sumę 1+2 + 2, można najpierw dodać 2 i 2 otrzymując 4, a następnie dodać 4 do l, aby
otrzymać wynik końcowy 5. W tym ciągu operacji ma miejsce etap pośredni,z którego pozostaje
tylko liczba 4: występujące początkowo 2 + 2 zostały odrzucone jako niepotrzebne do
pozostałych obliczeń. Ale informacja nie musi być wcale odrzucana; możemy ją zachować.
Oczywiście potrzebna jest wtedy większa pojemność pamięci, aby pomieścić tę dodatkową
informację, jednak pozwoli to nam odwracać każdy proces obliczeniowy na dowolnym etapie i
przechodzić od odpowiedzi do pytań.
Jednak czy możliwe jest zbudowanie odpowiednich obwodów przełączających,
realizujących tę odwracalną logikę? Ed Fredkin z MIT odkrył, że tak. Przełącznik Fredkina miał
dwa kanały wejściowe i dwa kanały wyjściowe oraz dodatkowy kanał kontrolny . Dokonuje on
operacji logicznych w normalny sposób, ale zachowując pełną informację wejściową na wyjściu.
Proces obliczeniowy może być przeprowadzony w odwracalny sposób nawet na maszynie z
dyssypacją, tj. takiej, w której nieuchronnie część energii ulega rozproszeniu. (Przy jakiejkolwiek
praktycznej realizacji odwracalnego procesu obliczeniowego nie da się wyeliminować
bezpowrotnego rozpraszania ciepła). Niemniej na poziomie teoretycznym można rozważać
wyidealizowany układ, w którym zarówno procesy fizyczne, jak i obliczeniowe, przebiegałyby w
sposób odwracalny. Fredkin podał przykład wyimaginowanego zespołu sprężystych kulek
odbijających się w ściśle kontrolowany sposób od nieruchomych przegródek. Układ taki zdolny
byłby do wykonywania odwracalnych operacji logicznych. Ostatnio przedstawiono również inne
koncepcje komputerów odwracalnych.
Interesujące zagadnienie pojawia się przy rozważeniu statusu automatów komórkowych
jako komputerów. Komputery generowane przez grę %7łYCIE nie są odwracalne, gdyż reguły gry,
które doprowadziły do ich powstania, nie są odwracalne (następstwa pojawiających się struktur
me można odwrócić). Jednakże Norman Margolus skonstruował automat komórkowy innego
typu, który jest w stanie modelować odwracalny układ Fredkina z kulkami i przegródkami. Na
poziomie tego automatu jest to rzeczywiście odwracalny komputer, zarówno pod względem
obliczeniowym, jak i fizycznym (jakkolwiek nadal mamy do czynienia z nieodwracalnÄ…
dyssypacją energii na poziomie elektronicznego komputera, na którym zrealizowany został ten
automat komórkowy).
[ Pobierz całość w formacie PDF ]