Разработка Ханны Эрли использует обратимые вычисления для кардинального повышения энергоэффективности процессоров.
⚠️ Внимание: материал содержит технические детали разработки!
История компьютерных чипов — это бесконечная гонка за тактовой частотой и количеством транзисторов. И почти всегда побочным эффектом этой гонки было тепло. Огромное, бесполезное тепло, которое приходится рассеивать с помощью радиаторов, кулеров и целых систем жидкостного охлаждения. Ханна Эрли (Hannah Earley), сооснователь и технический директор стартапа Vaire Computing, смотрит на эту проблему иначе: она считает, что потери энергии — это не неизбежность, а плохое проектное решение.
Вместе с командой Vaire Computing Эрли строит чипы на принципе обратимых вычислений (reversible computing). Суть подхода проста и гениальна одновременно. Обычный процессор берёт входные данные, производит вычисления, выдаёт результат, а всю промежуточную информацию безжалостно стирает. Этот процесс стирания и превращается в тепло, которое мы так привыкли считать неизбежным злом.
Эрли сравнивает это с вождением по городу, где на каждом перекрёстке приходится полностью останавливаться. Машина теряет инерцию, и чтобы снова разогнаться, нужно сжечь ещё больше топлива. Обратимые вычисления предлагают не тормозить, а сохранять инерцию. Вместо того чтобы стирать данные промежуточных этапов, цепь их сохраняет. Это позволяет запустить вычисление в обратном направлении и вернуть часть затраченной энергии обратно в систему.
Идея не нова — её впервые предложили более полувека назад. Но все эти десятилетия она оставалась сугубо теоретической. Существовавшие транзисторы и схемы просто не позволяли реализовать этот подход на практике. Эрли пошла другим путём и полностью переосмыслила архитектуру оборудования. Она спроектировала резонатор — микроскопический компонент, который накапливает восстановленную энергию и отправляет её обратно в цепь. Сама изобретательница называет его не иначе как «прославленным маятником».
В 2025 году Vaire достигла ключевого рубежа: тестовый чип, построенный на 22-нанометровом техпроцессе, продемонстрировал, что резонатор возвращает больше энергии, чем потребляет. Даже с учётом затрат на питание самого компонента. Для области, которая десятилетиями существовала в основном в теории, это стало настоящим доказательством жизни.
Игорь Марков (Igor Markov), исследователь в области автоматизации проектирования электроники и бывший профессор Мичиганского университета, признаёт, что у Vaire «есть кое-что интересное». Однако он предупреждает: технология находится на очень ранней стадии. Компании потребуется «серия всё более реалистичных и убедительных демонстраций, чтобы привлечь поддержку индустрии, необходимую для коммерциализации».
Путь Эрли в мир полупроводников начался рано. Она начала программировать в девять лет — сначала осваивала веб-разработку, затем углубилась в Perl и Java. Постепенно она спускалась всё ниже по уровням абстракции вычислений, пока не добралась до транзисторов. Затем была аспирантура в Кембридже под руководством вычислительного биолога Госа Миклема (Gos Micklem). Эрли начала с изучения того, как ДНК и другие материалы можно использовать для вычислений, но через несколько месяцев Миклем отправил ей докторскую диссертацию Майкла Фрэнка (Michael Frank) 1999 года — пионера в области обратимых вычислений.
Эрли прочитала её, отнеслась скептически, перечитала снова и размышляла несколько недель. Постепенно её охватило убеждение, что связь между информацией, энергией и теплом может навсегда изменить компьютеры. Это увлечение полностью переориентировало её диссертацию. Она изучала физические пределы вычислений и создавала программное обеспечение, способное превращать обычные программы в обратимые. Миклем вспоминает: «В конце концов я перестал позволять ей ставить моё имя на её статьи, потому что чувствовал, что не смогу должным образом рассказать о них. Это было её собственное дело».
Завершив обучение в 2021 году, Эрли познакомилась с Родольфо Розини (Rodolfo Rosini), технологическим предпринимателем и инвестором. Вместе они основали Vaire Computing в том же году. С тех пор стартап привлёк более 12 миллионов долларов инвестиций, нанял Майкла Фрэнка на должность старшего научного сотрудника и начал превращать теорию обратимых вычислений в реальное железо.
Путь к прорыву не был лёгким. Зимой 2022 года в Гриннелле, штат Айова, Эрли провела несколько недель в подвальной квартире своей супруги, пока на улице температура опускалась до -40°F. Она снова и снова покрывала белую доску схемами ключевого компонента, который должен был сделать обратимую логику работоспособной. Финальный вариант родился, когда они уже сбежали от холода в Лас-Вегас. Это было не внезапное озарение, а постепенная волна облегчения. «Я не совсем безнадёжна», — вспоминает свои ощущения Эрли.
Теперь перед Vaire стоит не менее сложная задача: вписать радикально новый чип в привычные устройства и производственные системы. Эрли считает, что будущее не в улучшении существующих процессоров, а в их полной перестройке с учётом обратимости. «Я хочу охватить каждую часть того, как строятся компьютеры, — говорит она, — и переосмыслить это в данных терминах».
Пока до коммерческих продуктов далеко, но первый шаг сделан. Обратимые вычисления перестали быть просто теорией. И если Vaire удастся довести свою технологию до ума, нас ждёт мир, где дата-центры потребляют на порядок меньше энергии, а смартфоны работают без подзарядки неделями. Будем следить за развитием событий — и обязательно расскажем о новых прорывах.