계산 문제의 에너지 복잡성에 대한 공식적인 개념


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계산 복잡도에는 계산 문제의 시간 또는 공간 복잡성에 대한 연구가 포함됩니다. 모바일 컴퓨팅의 관점에서 볼 때 에너지는 매우 중요한 계산 자원입니다. 알고리즘을 실행하는 동안 소비되는 에너지를 설명하는 튜링 머신의 적응에 대해 잘 연구되어 있습니까? 또한 계산 문제에 대한 에너지 복잡성 등급이 설정되어 있습니까?

참조가 감사합니다.


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에너지 소비는 기계 의존적이며 실제적인 문제입니다. 즉, 기존 분석에 숨겨진 상수가 일반적으로 관심 대상입니다 (런타임과 에너지 소비의 유일한 차이).
Raphael

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이론적으로 에너지 비용없이 가역 단계를 수행 할 수 있습니다. 실제로, 비가역 단계보다 실질적으로 더 낮은 에너지 비용으로 가역 단계를 수행하는 칩을 구축 할 수있다. 이것이 이론으로 어떻게 해석되는지는 확실하지 않지만 아마도 비용 에서 가역적 단계와 비용 에서 비가 역적 단계를 수행하고 이론적으로 에너지 소비에 대한 추론을 시작 하는 Turing machine 모델을 정의 할 수 있습니다 . 최소한 절망에 빠지고 "모든 기계에 달려있다"고 말하는 것보다 낫다. βαβ
Peter Shor


Susanne Albers는 ACM, 에너지 효율적인 알고리즘의 통신에서 훌륭한 설문을 작성했습니다. cacm.acm.org/magazines/2010/5/87271- 에너지 효율적인 알고리즘
Mohammad Al-Turkistany

답변:


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알고리즘을 실행하는 동안 소비되는 에너지를 설명하는 튜링 머신의 적응이 잘 연구되어 있습니까? 아니!

그러나 아마도 당신은 하나를 생각 해낼 수 있습니다. Turing 기계 단계를 가역 및 비가역으로 나눌 수 있습니다 (가역이 불가능한 단계는 정보가 손실되는 곳입니다). 이론적으로 에너지를 소비하는 것은 되돌릴 수없는 단계 일뿐입니다. 소거되는 각 비트에 대해 한 단위의 에너지 비용이 이론적으로 올바른 척도입니다.

Charles Bennett의 이론은 계산이 가역적 일 때 (CH Bennett, Logical Reversibility of Computation ) 시간 복잡성이 최대로 증가한다는 이론이 있지만 공간에 제한이있는 경우 계산 가역성을 만들면 가역성이 발생할 수 있습니다. 상당한 시간 증가 (여기 참조) . Landauer의 원칙에 따르면 비트를 지우는 의 에너지가 필요하며, 여기서 는 온도이고 는 볼츠만 상수입니다. 실생활에서이 최소값을 달성 할 수있는 곳은 없습니다. 그러나 되돌릴 수없는 단계에 사용하는 것보다 에너지를 덜 사용하여 뒤집을 수있는 단계를 수행하는 칩을 만들 수 있습니다. 가역 단계에 의 비용을 주면T k α βkTln2Tkα돌이킬 수없는 단계 비용 , 이것은 합리적인 이론적 모델을 제공하는 것처럼 보입니다.β

가역적 인 단계를 가진 Turing 기계가 가역적 회로를 가진 칩과 어떻게 관련이 있는지 모르겠지만 두 모델 모두 조사 할 가치가 있다고 생각합니다.


Peter는 효율적인 교회 튜링 논문에 대한 토론에서 계산에 사용 된 에너지의 양을 고려한 것에 대해 읽은 것을 기억합니다. 주제에 대한 좋은 참조가 있는지 알고 있습니까? (원하는 경우 별도의 질문으로 게시 할 수 있습니다.)
Kaveh

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Efficient Church-Turing 논문과 마찬가지로 다항식 요소에 대해서만 걱정한다면 시간이 일정하게 증가하여 가역적 인 계산 (임의의 소량의 에너지 소비)을 얻을 수 있기 때문에 모든 것이 잘 작동합니다. 공간은 시간보다 클 수 없습니다. 나는 이것에 관한 최근의 좋은 조사를 보았다고 생각합니다. 누군가가 그것을 찾을 수 있기를 바랍니다.
피터 쇼어

Peter에게 감사합니다. Google을 사용하여 직접 찾을 수도 있습니다 (찾을 수없는 경우 질문을 게시 함).
Kaveh

질문으로 이어지는 흥미로운 아이디어, 임의 알고리즘이 가역 계산으로 얼마나 많이 변환 될 수 있습니까? qm 컴퓨팅에서와 같이 이것은 항상 "ancilla"비트로 가능하지만이 "스크래치"를 유지하면 일부 경우 알고리즘의 효율성을 떨어 뜨릴 수 있으며 그 정도는 아직까지 잘 이해하지 못할 수 있습니다. 윌리엄스는 공간 효율적인 가역 계산
vzn

가역 계산 시스템이 있더라도 여전히 "숨겨진"에너지 비용이 여전히 있습니다. 새로운 계산을 실행하려면 새로운 메모리 뱅크를 구축하거나 공간을 만들기 위해 이전에 작성된 일부 데이터를 삭제해야합니다 새로운 입력 및 계산을 위해. 이것이 답변에 어떤 영향을 줍니까? (예를 들어 가역적 계산은 일반적으로 초기화 된 "빈"메모리의 한 부분에 대한 접근을 가정 하는가? 부정 행위처럼 보인다 ...)
usul

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에너지 복잡성 클래스는 아직 없지만 일부 모델에서 에너지 효율적인 알고리즘을 설계하는 방법을 연구하는 데 많은 관심이 있습니다. 나는 전체 작업에 익숙하지 않지만 한 가지 진입 점은 Kirk Pruhs 가 지속 가능한 컴퓨팅에서 수행 하는 작업입니다 . Kirk는 일정 및 근사에 대한 전문 지식을 갖춘 이론가이며 최근이 분야에서 활발히 활동하고 있기 때문에 알고리즘 전문가에게는 그의 관점이 좋습니다.

Landauer의 원칙에 대한 ps gabgoh의 요점은 좋은 것입니다. 에너지와 정보의 관계에 대해 더 배우고 싶다면 Maxwell 's Demon book 보다 더 좋은 곳은 없습니다 .


당신의 답변에 +1 감사 Suresh.
Mohammad Al-Turkistany

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이것은 전혀 직접적인 대답은 아니지만 알고리즘 열역학에 관한 Stay and Baez의 작업을 따라 수행되는 프로그램을 그리거나 연구하기위한 잠재적으로 유용한 연결입니다 : http://johncarlosbaez.wordpress.com/2010/10 / 12 / 알고리즘 열역학 /

그러나이 연구는 실제적인 물리적 결과를 이끌어내는 것이 아니라 지금까지 순수하게 수학적인 연결을 보여줍니다.


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Kei Uchizawa와 그의 공동 저자는 임계 회로의 에너지 복잡성을 연구합니다. 이들은 가능한 모든 입력에 대해 1을 출력하는 최대 임계 값 게이트 수로 정의합니다.

튜링 머신에 관한 것이 아니기 때문에 질문에 대답하지 않습니다. 그러나 나는 그들의 논문이 몇 가지 아이디어를주기를 바랍니다. 그의 웹 페이지에는 포인터가 있습니다. http://www.nishizeki.ecei.tohoku.ac.jp/nszk/uchizawa/


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외부 메모리 모델을 에너지 인식 계산 모델로 사용하는 것이 정당합니다. Paolo Ferragina는 ESA 2010에서 초대 한 연설에서이 문제에 대해 간략히 논의했지만 발표 된 결과가 있는지는 모르겠습니다. 기본 아이디어는 I / O 수가 계산 시간을 지배하는 경우 해당 I / O에 필요한 에너지가 총 에너지 소비를 지배한다는 것입니다.

보고서전원 관리의 과학 첫 워크샵은 주로 질문과 개방 문제가 포함되어 있습니다. 나는 2 차 워크숍 에서 어떤 일이 일어 났는지는 모르지만 웹 페이지는 지속 가능한 컴퓨팅에 대한 이론적, 수학적, 알고리즘 적 접근 방식에 관한 지속 가능한 컴퓨팅의 특별한 문제가있을 것이라고 알려줍니다.


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여기에 지속적인 연구와 함께이 명백한 질문에 대한 새로운 / 기타 참조 / 각도가 있습니다. P.Shor가 지적한대로 지금까지이 지역은 포괄적 인 조사, 표준화 및 / 또는 통일을 기다리는 것으로 보인다. 에너지 효율 알고리즘, 분류를 위해 모바일에서 에너지 사용 측정, 에너지 / 시간 복잡성에 영향을 미치는 VLSI의 요인 연구 등 더 많은 적용 / 접근 방식이 1 위에 나와 있습니다.


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시간과 공간의 복잡성은 장치 독립적입니다. 에너지 복잡성 장치를 독립적으로 만드는 방법을 보지 못했습니다.

튜링 머신에서 를 수행하여 하나의 기본 단계를 수행하는 경우 그러면 에너지 복잡도는 단계 수 x . 는 기계에 크게 의존합니다.W WWWW

그리고 입니다.O(Wf(n))=O(f(n))


요점을 놓친 것 같아서이 답변을 다운 투표하고 있습니다. Landauer의 원칙에 따라 알고리즘의 에너지 소비에 대한 하한을 두는 이론적 정당성이 있다고 생각합니다. 나는 질문이 매우 합리적이라고 생각한다.
gabgoh

@gabgoh 나는 어떤 일반적인 하한이 목적을 무너 뜨릴 균일 성 가정을 만들어야 할까 두려워한다. @TheMachineCharmer 실제로 실제 프로세서는 효율성에 따라 다른 순서의 명령을 가질 수 있습니다. 당신의 두 번째 단락이 혼동된다고 공감합니다.
Raphael

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시간과 공간은 에너지가 장치 독립적이지 않은 것과 정확히 같은 방식으로 장치 독립적이지 않습니다. 1970 년 IBM 360의 단일 계산 단계는 랩탑의 단일 계산 단계보다 훨씬 오래 걸립니다. 이론적으로, 가역적 계산 단계는 단위의 에너지를 소비해야하고, 비가 역적 계산 단계는 단위의 에너지를 소비 해야하며 , 여기서 및 의 실제 값 은 기계 의존적이다. 그러나 및 단계 수는 프로그램에만 의존합니다. β α β α βαβαβαβ
피터 쇼어

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@ Konrad : gabgoh는 Lev Landau가 아니라 Rolf Landauer를 말합니다.
피터 쇼어

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@ 피터 : 정보 주셔서 감사합니다. 그러나 기록을 위해, 나는 큰 O 표기법을 발명 한 Edmund Landau에 대해 이야기하고있었습니다. 나는 그것이 gabgoh가“Landauer의 원리”로 언급하는 것이라고 생각했습니다.
Konrad Rudolph
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