为什么电脑运行会产生热量，可以设计不产生热量的计算机吗？

              如果你把自己的手放在你的PC上，或者把你的笔记本放在你的大腿上，你将会意识到电脑运行时产生的热量？计算机的运行为什么会产生热量呢？难道计算机将不可避免地产生热量吗？

           在20世纪60年，一名叫Landauer的研究者发现，在计算机里产生的热量是由于“重置”内存寄存器导致的（一个寄存器是一个存储0或1的线形存储链），也就是清除寄存器的内容并且重置为0时产生了热量。

         为什么对内存的寄存器进行重置会产生热量呢？

          在物理学中，有个词叫“熵”，也就是英文单词entropy（当然在信息学中“熵”可能更为重要）。“熵”是用来测量一个物理系统的混乱程度。举个例子，冰比水的熵要小，因为冰多些次序，少些混乱。而回到上面提出的问题：为什么对内存的寄存器进行重置会产生热量呢？这是因为，清除内存器的内容意味着增加了内存器的次序，减少了它的随机性（其实，这也与信息论中熵的意义是一致的，熵表示的是对不确定性的度量，熵越大，不确定性越大）。随机性的减少，也就意味着熵的减少。那么减少的熵到哪去了呢？

         根据物理学的“热力学第二定律”，在一个封闭系统中熵不会减少（封闭系统是一个能量不会传出去，也不会进来的系统）。那么减少的熵去哪了呢？答案是减少的熵以一种热的形式散发到计算机部件的周围环境中去了。现在问题是对内存寄存器的重置，减少了随机性，那么这种减少在计算机中是以何种方式体现的呢？ 为了回答这个问题，就有必要对计算机的设计进行简单的剖析了。

         在计算机的电路板中，充斥了各种以与门（and gate)、或门（or gate）和非门（NO）为基本单元组成的复杂门。我们以“与门”为例来说说这些门的设计为什么最终导致热量的产生。

         “与门”是一个拥有两个输入信号线（A和B）和一个输出线的电子线路的基本组成成分。如果两个输入线都被设置为高压（也就是这些线上都有1），那么输出线将变成一个“1”。也就是说，如果输入线A和输入线B都设置为“1”，那么输出线将会是“1”。其他任何情况，输出线将都是“0”。既然在“与门”中有两个输入线包含公两个比特的信息，并且只有一个输出线包含一个比特的信息，“与门”就有必要消除信息。每次两个比特通过“与门”，只有一个比特被输出，那么你就无法通过输出来判断输入是什么？比如，如果输出是0，那么你就不能确定输入是（0,0）、（0,1）还是（1,0）。

           因此，电脑热量的产生，可以追根溯源到电路门的设计上，因为门的设计导致了信息的清除，进而使得熵的减少，最终呈现出来的现象就是电脑发热。

           然而，随着科技的进步，科学家们能不能提供一种思路设计和制造一种不产生热量的计算机呢？

            对，也许你已经想到了，只要在门的设计上，不造成信息的的清除不就可以了么。人们开始梦想拥有相同数目的输入线和输出线的基本电路。一个这样的有名门电路就是拥有3个输入和3个输出的“Fredkin门”。Fredkin门是可逆的（传统的门电路是不可逆的，也就是你不能通过输出来判断输入是什么，反之亦然）。所以，Fredkin门可以通过输出来对输入进行判断，那这需要什么呢？按照常理这就需要输入线和输出线的数目是相同的，Fredkin门不存在任何比特信息的消除。

            既然计算机的个体们可逆，那么计算机本身也就可以被做成可逆的。换句话说，人们能够从计算机的左端输入初始比特串，并被计算机内的Fredkin门处理，然后作为结果从计算机的右端门电路输出。你可以复制一份结果，然后从右端到左端输入到计算机，你将会得到从左端开始的输入。这样的一个过程没有任何比特的丢失，因此没有产生任何的热量。

           可逆计算可能会花费相当于传统系统两倍的计算时间，因为必须吧结果从同样的电路送回，但优点是没有任何热量的产生。可逆计算应该是计算机界的一大创举。多年前，一些物理学姐一直在思考：“如果摩尔定律一直扩展到分子级别，如果人们还继续采用传统的非可逆的、清除比特的信息处理技术，分子级别电路将会产生多少的热量？”，答案是非常的巨大。如此高度秘籍的电路不但会因为热量而融化，甚至还会发生爆炸。因此，随着分子级别电路的研究，必须采用新的可逆的计算形式而放弃传统的非可逆的计算形式。

           可逆计算的意义将是颠覆性的。如果计算机电路被设计成可逆的，那么消耗的能量将会更少，电池消耗更慢，寿命更长。如果再就这样的情景进行延伸呢？如节能汽车、跨洋航行、太空探险等等，给人无限畅想。