مايكل فرانك، باحث أكاديميٌّ خبرٌ عظيم في هندسة الحاسوب، لأكثر من ثلاثة عقود. ⏳ الآن، قرر فرانك تسويق هذا المجال الرائع، وترك وظيفته كعالم هندسي كبير في مختبرات ساندي الوطنية للانضمام لشركة ناشئة فاير كومبيوتينغ.
فرانك يؤمن بأن الحوسبة العكسية، عمل حياته، آن الأوان لخروجه من المختبرات إلى العالم الحقيقي. 🌎 فهناك نقص حادٌّ في الطاقة في صناعة الحوسبة. 💡 “نحن نتجه نحو نهاية تحسين كفاءة استهلاك الطاقة في الرقائق التقليدية.” يقول.
ووفقًا لتقرير خريطة طريق صناعة أشباه الموصلات IEEE [[LINK5]]، سيسهم فرانك في تحريره، ستصل كفاءة الطاقة في المنطق الرقمي التقليدي إلى حالة الركود بحلول أواخر هذا العقد. لذلك، تحتاج الحوسبة إلى نهج غير تقليدي مثل الحوسبة العكسية. 🚀
مع تراجع قانون مور وتباطؤ قانون كومي المرتبط بالطاقة، 📉 قد توفر الحوسبة العكسية مكاسب هائلة في كفاءة الطاقة تصل إلى 4000 مرة مقارنة بالطرق التقليدية، وفقًا لبحث فرانك في مختبر ساندييا. يقول إيريك ديبيينديكتيس، مؤسس شركة زيتافلوبس: ” الحوسبة العكسية هي من بين الخيارات القليلة لإعادة إحياء قانون مور أو لتحسين كفاءة الطاقة.”
سيكون أول نموذج أولي لشركة فير، المُصنّع في الربع الأول من عام 2025، أقل طموحًا، ⏳ بإعادة الطاقة المستخدمة في دائرة حسابية. أما الرقاقة الثانية (2027)، ستكون معالجًا صديقًا للطاقة متخصصًا في الاستدلال الاصطناعي. ويهدف الفريق لتحسين كفاءة الطاقة بمقدار 4000 مرة، لكنّ هذا قد يستغرق 10-15 عامًا.
يقول هيمنشو ثابليال، الأستاذ المشارك في جامعة تينيسي: “أشعر أن التكنولوجيا تُوحي بوعدٍ كبيرٍ، 🤞🏻ولكن هناك تحدياتٌ أيضًا.”
ما هي الحوسبة العكسية؟
هل فكرتم يوماً في طاقة المعلومات؟ في عام 1961، اكتشف رولف لانداور في آي بي إم حقيقة مذهلة: محو بت من المعلومات يتطلب طاقةً، تفقد على هيئة حرارة. 🤔 فكرة لانداور: الحساب بدون محو معلومات، أو “عكسًا”، يُمكنه نظريًا، الحساب بدون طاقة.
رغم أن لانداور رأى الفكرة غير عملية، 🧐 اكتشف تشارلز بينيت من آي بي إم حلاً: عكس الحساب بمجرد عدم الحاجة إلى النتيجة. بهذا، يتم تخزين المدخلات والنتيجة النهائية فقط.
مثل بوابة الحصر المُستبعد (XOR)، ⊕ الغير قابلة للعكس عادةً. إضافة مخرجٍ إضافي (نسخة من مدخل) تجعلها قابلة للعكس، لإعادة حسابها واستعادة المدخلات.
استمرت الفكرة في كسب قبولٍ أكاديمي، 📚 وبدأ عدد من الطلاب تجارب إثبات المبدأ لتصاميم رقائق الحوسبة العكسية. كان فرانك أحد هؤلاء الطلاب.
رغم إمكانية الحوسبة العكسية، فإنّ استهلاك الطاقة لم ينخفض دائمًا. 🔋 فير تُسعى لحلّ هذه المشكلة.
الحوسبة العكسية في تقنية CMOS
يحدد حد لانداور الحد الأدنى النظري لكمية الطاقة اللازمة لمحو المعلومات، ولكن لا يوجد حد أقصى. تقنية CMOS الحالية تستخدم أكثر من ألف مرة من الطاقة لمحو بت مما هو ممكن نظريًا. لأنّ الترانزستورات تحتاج لإشارات عالية للموثوقية، تُبدّد تلك الطاقة بشكل أساسي على شكل حرارة.
لحلّ هذه المشكلة، نظر الباحثون في تنفيذ دوائر عكسية بديلة، بما في ذلك أجهزة الكمبيوتر فائقة التوصيل، الآلات الجزيئية، وحتى الخلايا الحية. ولكنّ فريق فير ملتزم بأساليب CMOS التقليدية.
لإخراج تقنية CMOS للعمل مع العكسية، وجدوا طرقًا لاستعادة وإعادة تدوير طاقة الإشارة. ليس من الواضح كيف تُدار تقنية CMOS بشكلٍ عكسي.
الطريقة الرئيسية لتقليل توليد الحرارة هي تشغيل الترانزستورات بشكل متماثل، برفع أو خفض الجهد ببطء بدلاً من القفز به فجأة. ويمكن الحفاظ على نفس وقت التبديل، لكن بتغيير شكل الموجة.
والخدعة هي تخزين الطاقة في الترانزستور نفسه، 🔋 واستعادتها خلال خطوة الإلغاء الحسابي. الطريقة هي دمج الدائرة بأكملها في مُذبذب.
المُذبذب يُشبه البندول المتأرجح. بدون احتكاك، سيواصل البندول التأرجح إلى الأبد بنفس الارتفاع. 🔄 هنا، التأرجح هو ارتفاع وانخفاض الجهد.
في كل تطبيق عملي، يُفقد قدرٌ من الطاقة. لكنّ نهج فير يُقلل الاحتكاك.
الطريق الطويل نحو الجدوى التجارية
رغم تطوير دمج المنطق العكسي داخل مُذبذب، لم يُنشئ أحد واحدًا يُدمج المُذبذب على الشريحة مع اللب الحاسوبي.
ستكون رقاقة فير الأولى (2025) مُضافةً قابلةً للعكس مُدمجةً في مُذبذب LC.
ستُخطط فير في السنوات التالية لتصميم أول رقاقة قابلة للعكس مُخصصة لاستدلال الذكاء الاصطناعي.
قد تكون بعض رقاقات الاختبار أنظمة منخفضة المستوى في البيئات المُقيّدة بالطاقة.
مُذبذبات LC هي الأبسط، لكنها تأتي بمعاملات جودةٍ منخفضة. فريق فير يعمل أيضًا على دمج مُذبذب MEMS، أكثر صعوبةً للتكامل، لكن معاملات جودة أعلى.
يتوقع Earley الوصول لتحسين الأداء بمقدار 4000 مرة خلال السنوات العشر إلى الخمس عشرة القادمة.