Los programas reversibles se ejecutan hacia atrás con la misma facilidad que hacia adelante, ahorrando energía en teoría. Tras décadas de investigación, pronto podrían impulsar la IA.

Un artículo de Matt von Hippel. Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente respaldada por la Fundación Simons.

Para Michael Frank, la eficiencia siempre ha sido una preocupación importante. Siendo estudiante en la década de 1990 se interesó inicialmente en la inteligencia artificial. Pero al darse cuenta de la cantidad de energía que consumiría esta tecnología, enfocó su investigación en otro campo. «Empecé a interesarme por los límites físicos de la computación», cuenta. «¿Cuál es el ordenador más eficiente que se puede construir?»

Pronto encontró un candidato que aprovechaba una peculiaridad de la termodinámica: un dispositivo cuyos cálculos podían ejecutarse tanto hacia atrás como hacia adelante. Al no borrar nunca los datos este ordenador «reversible» evitaría el desperdicio de energía.

Ahora, conforme el progreso de la informática tradicional se desacelera (los nuevos chips se topan con limitaciones físicas fundamentales que les impiden hacerse más pequeños), la informática reversible podría mantener en marcha el progreso computacional.

“No hay muchas otras maneras de mejorar la potencia”, afirma Christof Teuscher, quien investiga enfoques no convencionales de computación en la Universidad Estatal de Portland. “La computación reversible es una forma realmente beneficiosa y emocionante de ahorrar potencialmente órdenes de magnitud”.

Sentir el calor

El primero en estudiar la computación reversible fue Rolf Landauer, un célebre físico de IBM que en la década de 1960 contribuyó a establecer el campo del procesamiento de la información. Un tema central de su trabajo fue la relación entre la entropía, que es una medida del desorden, y la información.

En términos generales, cuanto más sabemos sobre un sistema, más ordenada puede ser su disposición, y cuanto menos sabemos, menos ordenada. La transición de los átomos de un comportamiento predecible a un movimiento impredecible es lo que hace irreversibles algunos procesos físicos. Por ejemplo, al mezclar leche con café, el desorden aumenta. En teoría, se pueden separar de nuevo para que la disposición de las moléculas de leche y café sea más ordenada. Pero para ello, se necesitaría conocer la trayectoria de cada gota de leche, una cantidad de información inimaginablemente grande.

En 1961, Landauer demostró que estos principios también rigen para los ordenadores. Cuando un sistema informático elimina información los electrones en sus chips pasan de rutas conocidas a rutas desconocidas. Esos electrones descartados se pierden a todos los efectos, y su energía se disipa en forma de calor. Landauer demostró que este es un hecho ineludible: independientemente de cómo esté construido un ordenador, debe emitir una cantidad mínima de calor por cada bit de información que elimina.

Esta pérdida es un aspecto fundamental del funcionamiento de los ordenadores. Por ejemplo, cuando un ordenador suma dos números, devuelve un solo número para el total: 2 + 2 = 4. Se pierde información al pasar de dos números a uno. Podría haber sumado 2 y 2, o podría haber combinado 1 y 3. La información que falta hace que el cálculo sea irreversible. Los ordenadores que procesan la información de esta manera —y casi todos lo hacen— siempre perderán información en forma de calor, pase lo que pase.

Landauer se preguntó si una máquina podría sortear esta limitación simplemente no borrando nunca los datos. Dicho dispositivo necesitaría mantener un registro de cada operación, de cada par de números sumados en cada paso. Estos registros llenarían rápidamente su memoria, inutilizando el ordenador en la práctica, a pesar del ahorro de energía. Landauer pronto cambió a otra cosa, convencido de que la computación reversible era un callejón sin salida.

Una década después, se enteraría de que se había equivocado.

Meter la marcha atrás

Charles Bennett, un joven colega de Landauer en IBM, argumentó en 1973 que existía otra opción. En lugar de guardar cada fragmento de información, se podía ejecutar cada cálculo hacia adelante, almacenar únicamente el resultado que interesa y luego deshacer el cálculo hacia atrás. La idea de Bennett, a la que llamó descomputación (uncomputation), es algo parecido a si Hansel y Gretel recogieran las migas de pan al regresar a casa: así se aseguran de no perderse y no desperdician ninguna miga. La descomputación implica que solo conservas los datos que deseas, y nunca los pierdes de vista. Como no se elimina ninguna información inicial, no se pierde energía en forma de calor.

Lamentablemente, la descomputación también lleva el doble de tiempo que un cálculo ordinario, lo que la hace poco práctica.

Aun así, Bennett siguió mejorando su idea. En 1989, demostró que se puede descomputar en mucho menos tiempo usando un poco más de memoria. Los investigadores comenzaron a ajustar los detalles, encontrando maneras de ahorrar memoria y tiempo.

Pero los ordenadores no pierden energía solo al borrar datos. La forma en que se conectan sus transistores es inherentemente ineficiente, por lo que para que un ordenador ahorre una cantidad significativa de energía mediante computación reversible debe diseñarse con una baja pérdida de calor en mente desde el principio.

En la década de 1990, un grupo de ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) se propuso precisamente eso. El equipo construyó prototipos de chips que mejoraron los circuitos ineficientes. Frank se unió al grupo como estudiante de doctorado en 1995 y pronto se convirtió en uno de los principales impulsores de la computación reversible.

Luego, a principios del nuevo milenio, el interés disminuyó. Los chips aún no tenían lo necesario para ahorrar energía en el mundo real. El apoyo era escaso.

“Los revisores de proyecto decían: «Esto suena muy útil, la industria debería financiarlo», y sin embargo, uno acude a la industria y no tienen ni idea de lo que estás hablando”, cuenta Frank. «Les parece una locura» porque abordaba un problema que parecía muy lejano. Los chips de ordenador convencionales estaban mejorando exponencialmente. ¿Por qué preocuparse de alternativas teóricas?

Frank abandonó el trabajo, e incluso dejó el sector durante un tiempo para abrir un cibercafé. Pero pronto las preocupaciones que la industria consideraba lejanas se acercaron. Los circuitos informáticos se estaban volviendo tan pequeños que estaban alcanzando límites físicos fundamentales que les impedirían seguir menguando.

“Ya no será posible ampliar la escala de la tecnología convencional”, apunta.

Frank creó un grupo de investigación en Sandia National Labs y comenzó a intentar atraer la atención hacia la eficiencia energética.

Luego, en 2022, Hannah Earley, entonces investigadora de la Universidad de Cambridge, presentó un análisis riguroso de la eficiencia de estos ordenadores. Un ordenador reversible emite mucho menos calor que uno convencional, pero descubrió que aún debe emitir algo de calor. Cuando se aplica voltaje a un cable, por ejemplo, el metal se calienta; a mayor calor, mayor velocidad de cambio de voltaje. Cuanto más lento funciona un ordenador reversible, menos calor emite, una relación que Earley calculó con precisión.

Esa relación entre calor y velocidad es crucial para la aplicación más prometedora de la computación reversible: la IA. Los cálculos en IA suelen ejecutarse en paralelo, lo que significa que cada procesador ejecuta una parte del cálculo. Esto crea una oportunidad para que la computación reversible destaque. Si se ejecutan chips reversibles a menor velocidad, pero se utilizan más para compensar, se ahorra energía: la ventaja de ejecutar cada chip a menor velocidad supera la desventaja de ejecutar más chips. Y si se ejecutan a la suficiente velocidad, se podría evitar la necesidad de tanta refrigeración, lo que permitirá apilar chips más cerca para ahorrar espacio, materiales y tiempo en el intercambio de datos.

Los inversores han tomado nota. Earley cofundó Vaire Computing, donde ella y Frank trabajan para crear una versión comercial de un chip reversible.

Tras décadas de teoría, apunta Torben Ægidius Mogensen, quien trabaja en computación reversible en la Universidad de Copenhague, es posible que finalmente veamos este enfoque en acción. «Lo más emocionante sería ver procesadores reversibles fabricados en la práctica para poder usarlos».

El artículo original, How Can AI Researchers Save Energy? By Going Backward, se publicó el 30 de mayo de 2025 en Quanta Magazine.

Traducido por César Tomé López