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可逆计算(170825)
热度 17 ymin 2017-8-25 09:16
可逆计算( 170825 ) 闵应骅 最近在 IEEE Spectrum 2017/9 月号上看到“ THROWING COMPUTING INTO REVERSE ” By Michael P. Frank ,很新奇,至少对我很新奇。请读者注意,这不是“透明计算”,而是“可逆计算”。我看到 Michael P. Frank 毕业于 Stanford ,在 MIT 拿的硕士、博士学位,在今年的 IEEEComputer 上发表了可逆计算的文章,现在又在 IEEE Spectrum 上发表文章。看样子这个想法靠谱。 计算机的发展几十年来可谓神奇,但现在碰到的最大的瓶颈是能量消耗,它所依靠的半导体产业的摩尔定律已经不灵了。这个我在以前的博文里说过多次。怎么突破这个瓶颈?现在,尤其是在中国,人们在吹人工智能、大数据等等,都是在计算机的功能上着手,软件上加点什么东西,在这上面创新。可逆计算不是,它是一个颠覆性的创新。它的思路是:从能量消耗的角度讲,一个逻辑电路,运行一次,接着运行下一次的时候,前一次运行所消耗的能量就浪费了,所以超级计算机的能耗才那么高。设想一下,如果电路里只有电感、电容,没有电阻,就不会有能量消耗。这就需要运行是可逆的,电感可以激励,也可以释放;电容可以充电,也可以放电。 2003 年 Michael P.Frank 在 2003Nanotechnology Conference Trade Show , Feb. 23-27, 2003, San Francisco, CA. 一篇文章中列出了下图。 该图说明,传统的不可逆计算在 2030 年以后将达到一个热力学墙,每一美元能够进行的位运算次数无法再提高了,而对于可逆计算仍可提高 1 千至十万倍,那大概是 2050 年的事了。这里考虑了由于可逆在算法上、运算速度上需要付出的代价。可逆计算的基础是可逆逻辑门的设计和生产。这就牵涉到量子计算了,必须做到量子级,电路才能可逆。不要空谈量子计算,要从逻辑门做起。 可逆计算的想法与我们改进半导体设计与生产、改进算法、跟踪产业界流行的想法非常不同,但这个想法并不新。 1961 年 IBM 的物理学家 Rolf Landauer 发表一篇文章 , “ Irreversibility and Heat Generationin the Computing Process. ”认为不可逆计算是一种热力学行为。物理现象的可逆性对量子物理也成立。从量子物理的观点看,信息是不可能被毁灭的。计算机在每一拍把前一拍的信息檫去了,实际上前一拍的信息变成了热量。 Landauer 的结论是在室温下,檫去一位就驱散至少 1.7% 电子伏特。对今天的 CMOS ,情况更严重。斯坦福的研究表明每檫去一位至少损失 500 电子伏特的能量。解决此问题的办法是可逆化,即每一个初始状态产生唯一的后续状态,带有信息导向的任何能量不会转为热量,而可以为后续操作所用。可惜此后沉静了许多年,因为工程实现实在太难。直到 1980 年代, MIT 重新重视这个问题,设计了可逆的逻辑门。此后,美国许多大学和公司、日本、俄罗斯、法国都研究各种实际途径实现可逆计算。在美国加州 Palo Alto 的分子制造学院的 Ralph Merkle 设计了可逆纳米分子机器,理论上说只要花今天计算技术千亿分之一的能量,而计算速度仍可达到纳秒级。他们设计的一种所谓“连接逻辑”,如下图所示。 图中两个深灰色可动条可以检测到几百个原子通过,其控制点是无摩擦的。它就像今天的晶体管一样,但可逆。问题是这种原子级精确装置的制造技术还需要研究。 现在,计算技术已经到了一个关键的历史性时刻,模拟或基于毛刺的神经计算如果不可逆,也将最后达到极限,即使是量子计算的突破也只能对特定计算提速,而不是通用计算。所以。可逆计算应该是解决当前计算危机的道路之一。我查了一下白度,在我们国内也有人在研究可逆计算,但是,好像不成气候,没有大佬的炒作。我觉得我们应该重视颠覆性的创新,而不是紧跟大公司的脚步做研究。
个人分类: 学术导航|17903 次阅读|35 个评论
说话能消耗我们多少能量?
热度 4 Einstein 2016-3-20 09:26
按:此文译介自美国 Popular science 杂志2015年第8期,英文附后,有翻译不对之处,敬请指正。 说话能消耗我们多少能量? 简单说:实在没什么,除非你扯着嗓子喊。 说话会靠许多块肌肉以维持,它会令人疲惫。 1998 年纽约州立大学语音语言病理学家 Bridget Russell 发表了一项研究结果,她让被测试者轻声、正常发声以及大声阅读,同时测量他们的呼吸频率、氧气和能量消耗。 Russell 发现,持续的正常谈话并不比安静地坐着更令人产生疲劳,但是轻声和大声谈话均有碍正常呼吸。高声朗读的男性往往受到情绪影响,他们要多消耗 20% 的氧气。 在其他生物上也进行了同样测量。犹他大学的 Franz Goller 研究了鸟类鸣叫的能量消耗。他猜测这种情况一定会(使鸟)产生疲倦:一只金丝雀可以爆发 30 秒钟欢快的鸣叫,这种饱满、复杂的颤音需要急促的“小呼吸”——大约每秒几十次。当他对斑胸草雀做实验时,在既有可比较的发声行为基础上,发现斑胸草雀在鸣叫时新陈代谢的增速只有 5%-35% 。这种“疲劳”就像它们清洁自身的羽毛一样。 Goller 推测,用人类行为描述的话,就像在大街上散步(一样轻松)。 不过,话说回来,即使一项简单的工作也会随着重复变得令人生倦。如果你做某事需要一分钱,一天重复 3000 次的话,便要花掉 30 刀。“作为一名教师,讲了一天课,我会筋疲力尽的”,Goller说道。 英文原文,链接 http://www.popsci.com/ask-us-anything-how-much-exercise-do-we-get-talking Speaking involves dozens of muscles, and it can be a bit tiring. For a study published in 1998, speech language pathologist Bridget Russell, of the State University of New York at Fredonia, asked participants to read aloud using either a quiet, normal, or loud voice while she measured their breathing rates, oxygen consumption, and energy expenditure. Russell found that continuous, normal speech is no more exhausting than sitting in silence, but quiet and loud talk both interfere with normal respiration. Most affected were men who read out loud at high volume; they took in 20 percent more oxygen. That’s on par with measurements in other species. Franz Goller, a physiologist at the University of Utah, has studied the energetic costs of singing in birds. He guessed it would be tiring: A canary erupts in 30 second bursts of song, replete with complicated trills that require rapid “mini breathing,” tens of times per second. When he ran experiments on zebra finches, though, which have comparable vocal behavior, he found their metabolic rates went up by only 5 to 35 percent while singing. That’s about as tiring as cleaning one’s feathers. Or, in human terms, Goller speculates, walking down the street. Then again, even an easy task grows costly with repetition. “If you spend a penny on something 3,000 times a day, that’s still 3,000 pennies,” he says. “As a teacher, at the end of a day of speaking, I’m exhausted.” This article was originally published in the August 2015 issue of Popular Science, under the title How Much Exercise Do We Get From Talking?
个人分类: 科普|32157 次阅读|8 个评论
饱暖思淫欲?
热度 17 gaojianguo 2013-1-25 14:59
饱暖思淫欲?
据说,大脑要保持正常运转要消耗肝糖原储量的 75% ,全身耗氧量的 20% 。而当集中精力思考问题的时候,大脑每分钟消耗 1.5 卡路里的能量,相比之下,人在行走的时候每分钟大约消耗 4 卡路里热量。正因为此,“劳心者治人,劳力者治于人”还是有一定道理的。 正是由于大脑的高效运转需要充足的能量保障,所以科学、音乐和艺术都是上层建筑的范畴。饿着肚子搞发明创造是不能持久的。当食物来源减少,大脑往往会优先保障大脑的能量供应,不至于稍微挨饿就头昏眼花。最近,法国学者 Plaais 和 Preat 以果蝇为研究对象,发现如果减少它的食物供应,它就会为了节省能量而不去记住很久以前的事情。在饥饿的状态下,果蝇终止长期记忆的慢波振荡行为由两对多巴胺神经元调节,如果人为改变这两对神经元的功能,使果蝇恢复大脑的长期记忆,那么将降低果蝇在饥饿状态下生存的可能性。果蝇饿着肚子不会深思远虑,人往往吃饱了就会胡思乱想,“饱暖思淫欲”是动物的一个属性吗? 近日,他们的研究报道论文“ To Favor Survival Under Food Shortage, the Brain Disables Costly Memory ”发表在 Science 上。 全文: http://www.sciencemag.org/content/339/6118/440 full text.pdf
个人分类: 生活点滴3|17000 次阅读|43 个评论
【夏季也是减肥天】让我们来算算喝完饮料你要做多少运动
热度 1 yywindwill 2012-7-23 12:54
这张图是想告诉你:喝完这些饮料后,要运动多久才能消耗这些能量。 看不清图片?请点击 这里 查看大图 炎热的夏天,饮料无疑是大家解暑的最爱。前几天, @营养师顾中一 及 @solier 在微博里面发了一张饮料及饮料里面含有多少糖的图,引起了很好的反响与共鸣。 既然大家已经知道了喝一瓶饮料(大多是含糖饮料)会喝进去很多糖,增加很多能量,可能会增加肥胖及各种慢性病的风险。很多人表示要去运动,想消耗掉这些多余的能量。那么,你是否知道喝掉一瓶饮料后,你要运动多久才能消耗掉这些能量呢?这是我做这个计算的出发点。 我又是如何计算出来的呢?来一起看看吧 算之前,先来讲两个热量单位:千卡(kcal)和千焦(kJ)。这两个都是常用的表示食物热量的单位。其中,1kcal=4.182kJ,1kJ=0.239kcal。 找了几个相关研究。 第一个是研究大学生不同体力活动的能量消耗,研究对象是25名男性,24名女性。测定了慢走(4km/h)、快走(6km/h)、慢跑(8km/h)和骑自行车(12km/h)的能量消耗。研究的结果是:体力活动平均能量消耗量:慢走12.11±1.84,快走19.00±2.60,慢跑32.99±4.90,骑自行车16.43±2.68;运动效率表征值:慢走3.03±0.47,快走3.17±0.43,慢跑4.12±0.61,骑自行车1.37±0.22(单位kJ/h/kg) 。 转换成kcal/h/kg,四种体力活动的能量消耗依次是:2.89;4.54;7.88;3.93(单位kcal/h/kg)。 第二个是研究中国青年女性日常体力活动的能量消耗。研究对象主要是青年女性。各项体力活动的能量消耗量结果是:慢走(3km/h)1.24;快走(6km/h) 3.75;慢跑(8km/h)6.26;上楼梯(1.6级/s)3.87;下楼梯(1.8级/s)2.59;骑自行车(12km/h)4.3(单位kcal/h/kg) 。 针对这两项研究的结果,我综合考虑,分别取①慢走(3km/h),能量消耗为2.9kcal/h/kg;②快走(6km/h),能量消耗为4.5kcal/h/kg;③慢跑(8km/h),能量消耗为8.0kcal/h/kg;④上楼梯(1.6级/s),能量消耗为4.0kcal/h/kg;⑤下楼梯(1.6级/s),能量消耗为3.0kcal/h/kg;⑥骑自行车(12km/h),能量消耗为4.3kcal/h/kg。 那么,一个60千克的成年人,①慢走的能量消耗为2.9kcal/min;②快走的能量消耗为4.5kcal/min;③慢跑的能量消耗为8.0kcal/min;④上楼梯的能量消耗为4.0kcal/min;⑤下楼梯的能量消耗为3.0kcal/min;⑥骑自行车的能量消耗为4.3kcal/min。 为了方便,饮料的能量统一按500mL计算。计算条件就是这样的。 那我们来看看,喝下500mL饮料,你究竟要运动多久才能消耗掉这些多余的能量呢?完整结果如下图。 请点击 这里 查看大图。 当然,人消化吸收、基础代谢也会消耗一些能量,这个相对比较少,我就不做考虑;饮料喝进去的吸收率也不会是完全的,为了方便计算,我也统一当做100%计算了。而且,我这里考虑的是 你正常吃饭之余还喝这些饮料的话,这些饮料的能量就是纯粹多余的 。 再来看一张图片吧——《饮料瓶的困扰》,摄影师:邓小卫 对环境的破坏确实很大。 不多说了。还是少喝饮料吧。 注:饮料的热量数据来自 @营养师顾中一 及 @solier 微博。 图片由 @Greeny 制作。感谢! 参考资料: 聂东升,刘庆秋,毛德倩,等.大学生不同体力活动能量消耗和运动效率的研究.中国运动医学杂志,2012,31(3):193-197 刘健敏.中国青年女性膳食能量参考摄入量的研究及日常体力活动能量消耗初探.中国疾病预防与控制中心,博士论文.2008.
个人分类: 营养与健康|3583 次阅读|1 个评论

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GMT+8, 2024-6-4 13:37

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