相比人腦，計算機為什么能耗這么高？

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編者按：目前美國所有能源消耗中約有5%用于計算機的運行，這是整個經(jīng)濟的巨大成本。此外，這些計算機使用的所有能源最終都會轉(zhuǎn)化為熱量。這就造成了第二個成本：防止計算機溫度過高的成本。為什么人類做某件事不需要耗費特別大的能量而計算機做同樣的事卻耗費巨大的能量？電腦的效率可能大大提高，但要做到這一點，我們需要更好地理解計算的熱力學(xué)。本文原標題《Why Do Computers Use So Much Energy?》

微軟目前正在進行一組有趣的硬件實驗。該公司將計算機服務(wù)器裝進經(jīng)過改造的集裝箱，并將其浸入海中。最近一輪實驗正在蘇格蘭奧克尼群島附近進行，共涉及864臺標準的微軟數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。很多人都對這家西雅圖高科技公司的合理性提出了質(zhì)疑，但說真的，微軟為什么要這么做？

有幾個原因，但其中最重要的一個原因是，當計算機服務(wù)器在海底時，保持冷卻的成本要低得多。這種冷卻不是一筆小費用。精確的估計會有所不同，但目前美國所有能源消耗中約有5%用于計算機的運行，這是整個經(jīng)濟的巨大成本。此外，這些計算機使用的所有能源最終都會轉(zhuǎn)化為熱量。這就造成了第二個成本：防止計算機溫度過高的成本。

這些問題并不只出現(xiàn)在人造的、數(shù)字計算機中。有許多大自然產(chǎn)生的計算機，也需要大量的能量。舉個比較尖銳的例子，人腦就是一臺計算機。這種特殊的計算機所消耗的熱量約占人類消耗的總熱量的10%-20%。想一想：我們在非洲大草原上的祖先每天都要多找20%的食物，只是為了不讓那個不領(lǐng)情的粉紅色果凍球不在他們的肩膀上發(fā)脾氣。多找20%的食物對我們祖先的繁殖能力是一種巨大的懲罰。這種懲罰是導(dǎo)致智力在進化中如此罕見的原因嗎？沒有人知道，甚至沒有人以前有數(shù)學(xué)工具來思考這個問題。

除了大腦之外，還有其他的生物計算機，它們也會消耗大量的能量。舉個例子，許多細胞系統(tǒng)都可以看作是計算機。事實上，比較人工計算機和細胞計算機中的熱力學(xué)成本，對于現(xiàn)代計算機工程師來說，可以說是非常相形見絀的。例如，在細胞的核糖體中，細胞的能量預(yù)算中有很大一部分用于將RNA翻譯成氨基酸序列（即蛋白質(zhì)）。但這種計算的熱力學(xué)效率，核糖體每一次基本操作所需的能量，比我們現(xiàn)在的人工計算機的熱力學(xué)效率高出許多數(shù)量級。細胞所使用的 "技巧"，我們是否可以在人工計算機中加以利用？回到前面的生物學(xué)例子，人類大腦在進行計算時使用的技巧，我們是否可以在人工計算機中加以利用？

更籠統(tǒng)地說，為什么計算機就要消耗這么多的能量？控制系統(tǒng)運行的精確計算與所需能量之間關(guān)系的基本物理規(guī)律是什么？我們是否可以通過重新設(shè)計計算機的算法來使其更加節(jié)能？

這些是我和我的合作者，在圣菲研究所正在進行的一個研究項目中，努力解決的一些問題。我們并不是第一個研究這些問題的人；一個半世紀以來，我們一直在使用半形式推理來考慮這些問題，這種推理基本上是基于 "包絡(luò) "（很粗略的計算）式的分析，而不是嚴格的數(shù)學(xué)論證，因為當時相關(guān)的數(shù)學(xué)還沒有完全成熟。

此前的工作產(chǎn)生了許多重要的洞見，特別是20世紀中后期Rolf Landauer、Charles Bennett等人的工作。

然而，這些早期的工作也受到了限制，因為它試圖應(yīng)用平衡統(tǒng)計物理學(xué)來分析計算機的熱力學(xué)。問題是，根據(jù)定義，一個平衡系統(tǒng)是一個狀態(tài)永遠不會改變的系統(tǒng)。所以不管它們是什么，計算機絕對是非平衡系統(tǒng)。事實上，它們往往是離平衡系統(tǒng)很遠的系統(tǒng)。

幸運的是，完全獨立于這一早期工作，在過去幾十年中，非平衡統(tǒng)計物理學(xué)領(lǐng)域（與稱為 "隨機熱力學(xué) "的領(lǐng)域密切相關(guān)）取得了一些重大突破。這些突破使我們能夠分析有關(guān)熱、能量和信息如何在非平衡系統(tǒng)中得到轉(zhuǎn)化的各種問題。

這些分析提供了一些驚人的預(yù)測。例如，我們現(xiàn)在可以計算出一個給定的納米級系統(tǒng)在給定的時間間隔內(nèi)違反第二定律、降低其熵的（非零）概率。（我們現(xiàn)在明白了，熱力學(xué)第二定律并不是說一個封閉系統(tǒng)的熵不能減少，只是說它的預(yù)期熵不能減少）。

這里沒有半形式推理引起的爭議，相反，在頂級期刊上有很多上百篇同行評議的文章，其中很大一部分涉及理論預(yù)測的實驗證實。

現(xiàn)在我們有了正確的工具，我們可以以完全形式化的方式，重新審視計算熱力學(xué)的整個主題。對于Landauer和其他人關(guān)注的主題：比特擦除，我們已經(jīng)做到了這一點，而且我們現(xiàn)在對擦除比特的熱力學(xué)代價有了完全形式化的理解(結(jié)果發(fā)現(xiàn)是令人驚訝的微妙)。蘭道爾原理表示，在平衡態(tài)擦除1bit的信息至少要消耗的能量為kTln2（k 為玻爾茲曼常數(shù)，T 為環(huán)境溫度），并由此給出了計算機的理論能耗下限。

然而，計算機科學(xué)的范圍遠遠超出了計算特定比特擦除次數(shù)。由于非平衡統(tǒng)計物理學(xué)的突破，我們現(xiàn)在還可以從熱力學(xué)的角度研究計算機科學(xué)的其他部分。例如，從比特到電路，我和我的合作者現(xiàn)在對 "直線電路 "的熱力學(xué)成本有了詳細的分析。令人驚訝的是，這種分析已經(jīng)導(dǎo)致了信息理論的新擴展。此外，與蘭道爾開創(chuàng)的那種分析不同，這種對電路熱力學(xué)成本的分析是精確的，而不僅僅是一個下限。

傳統(tǒng)的計算機科學(xué)是關(guān)于內(nèi)存資源和執(zhí)行某項計算所需的時間步數(shù)之間的權(quán)衡。鑒于上述情況，似乎在執(zhí)行一項計算時，可能有比傳統(tǒng)計算機科學(xué)所理解的更多的熱力學(xué)權(quán)衡，除了內(nèi)存資源和時間步數(shù)的成本外，還涉及熱力學(xué)成本。這種權(quán)衡將適用于人工和生物計算機。

顯然，要發(fā)展這種現(xiàn)代 "計算的熱力學(xué)"，還有大量的工作要做。

（譯者：蒂克偉）