Reversible Computing: Der Prozessor, der Energie zurückgewinnt, statt zu verheizen
Ein Prozessor, der rechnet und dabei fast keine Energie benötigt? Klingt absurd, auch wenn Halbleiter immer energieeffizienter wurden und auch noch werden. Doch das Start-up Vaire(öffnet im neuen Fenster) ist überzeugt, dass noch deutlich mehr möglich ist. Es will Prozessoren nach dem Prinzip des Reversible Computing entwickeln, das eine Verringerung des Energiebedarfs um den Faktor 4.000 ermöglichen soll. Reversible Computing bedeutet, den Aufbau von Computern grundlegend neu zu denken.
Während bei klassischer Halbleitertechnik, wie sie in jedem Prozessor steckt, sämtliche für Schaltvorgänge eingesetzte Energie in Form von Wärme verloren geht, würde sie bei reversiblen Computern zurückgewonnen. Die Idee geht zurück auf eine 1961 von Rolf Landauer bei IBM formulierte Hypothese, dass beim Löschen von Information in einem Computer Energie abgegeben wird, die zuvor für ihre Darstellung aufgewandt wurde.
Der Physiker Charles Bennett zeigte 1977 (anhand einer Turing-Maschine ), ebenfalls bei IBM, dass es theoretisch möglich ist, diese Energie zurückzugewinnen, wenn Berechnungen rückgängig gemacht werden. Mit seinem ersten Chip hat Vaire nun bewiesen, dass dies auch praktisch möglich ist. Mit dem Fachmagazin EE Times(öffnet im neuen Fenster) hat das Start-up über die Details des Ice River genannten Chips gesprochen, der im Mittel 50 Prozent der eingesetzten Energie zurückgewinnen soll.
Bislang enthält der in einem 22-nm-CMOS-Prozess gefertigte Chip zwar nur grundlegende Komponenten wie Addierer oder Schieberegister. Er kommt auf einen Rückgewinnungsfaktor von 1,77 und dient primär dazu, Vaires Konzept für den Bau reversibel arbeitender Prozessoren zu verifizieren. Darauf aufbauend sollen dann komplexere Prozessoren entwickelt werden – dass Vaire auf KI abzielt, ist wohl kaum überraschend. Die Computerarchitektur brauche neue Ideen, sagte CEO Rodolfo Rosini EE Times, denn es sei absehbar, dass die klassische CMOS-Technologie ihr praktisches Effizienzlimit erreiche.
Reversible Schaltungen sehen anders aus
Wie bereits angedeutet, erfordern reversible Computer ein grundlegend anderes Design. Vaire geht das auf zwei Wegen an, die Forschungsleiter Mike Frank im Gespräch mit IEEE Spectrum erläuterte(öffnet im neuen Fenster) .
Der erste ist eine veränderte Signalform: Während digitale Schaltungen üblicherweise näherungsweise mit Rechtecksignalen arbeiten, setzt das Start-up auf trapezförmige Signale. Bei ihnen erfolgen Spannungsänderungen langsamer, was die hohen Stromimpulse bei Schaltvorgängen und daraus folgenden Leitungsverluste beim Ändern eines Signals verringert. Das bedeutet allerdings, dass Transistoren langsamer schalten, da ihre Schwellspannung nicht so schnell erreicht wird. Da deren Schaltfrequenz auch in aktuellen Prozessoren aber deutlich unter dem theoretisch möglichen liegt, erwartet Vaire hier kaum Einbußen. Ice River schaltet aktuell mit 500 MHz, das Start-up will 1 GHz erreichen.
Der swingende Schaltkreis
Die zweite Änderung betrifft die Spannungsversorgung: Die Transistoren werden bei Vaire zudem nicht, wie üblich, über ein Netzteil mit einer festen Spannung versorgt. Die Schaltung ist stattdessen Teil eines Resonators, eines LC-Schwingkreises aus Induktivität und Kondensatoren. Den Kondensator bilden dabei die Kapazitäten des versorgten Schaltkreises – die Leiter und Gate-Elektroden der Kondensatoren. In der ersten Hälfte einer Schwingung gibt die Induktivität dabei Energie ab und lädt die Kapazitäten, in der zweiten Hälfte werden Letztere wieder entladen. Die Energie wird, bis auf Leitungsverluste, in die Induktivität zurückgeführt.
Der Informationsfluss muss entsprechend der jeweiligen Resonanzfrequenzen gesteuert werden. Auch die Verteilung des trapezförmigen Taktsignals erfordert andere Strukturen. Das erfordert einen grundlegend anderen Entwurfsprozess, für den aktuell kaum EDA-Software (Electronic Design Automation) existiert. Dass die Schaltungen in CMOS-Technik gefertigt werden, ist zwar nicht ideal, erleichtert aber die Vermarktung, da hier keine grundlegenden Neuentwicklungen erforderlich sind. Durch die Kombination mit MEMS-Elementen (Mikro-elektromechanisches System) hofft Vaire auf deutlich effizientere Resonatoren.
Bestehende Software soll einfach laufen
Reversible Computing erfordert eigentlich auch angepasste Software. Theoretisch wäre das mit einem passenden Compiler machbar, gegenüber EE Times sagte CEO Rosini aber, bereits das errichte eine Hürde, welche der Akzeptanz eines neuen Prozessors schaden könnte. Stattdessen will Vaire die erforderlichen Anpassungen direkt im Chip vornehmen, auch wenn das die erreichbaren Effizienzgewinne schmälerte.