Принцип Ландауэра

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

При́нцип Ланда́уэра — принцип, сформулированный в 1961 году Рольфом Ландауэром (англ.) (IBM) и гласящий, что в любой вычислительной системе, независимо от её физической реализации, при потере 1 бита информации выделяется теплота в количестве по крайней мере W джоулей:

 W = k_\mathrm{B} \, T \, \ln 2,

где kB — константа Больцмана, T — абсолютная температура вычислительной системы в кельвинах.

Накладываемые этим принципом ограничения можно обойти путем реализации обратимых вычислений.

Выражением Шеннона — Фон-Неймана — Ландауэра (Shannon—von Neumann—Landauer, SNL) называют минимальную энергию Ebit, необходимую для обработки 1 бита (либо — минимальную высоту барьера, необходимую для разделения двух состояний электрона ESNL)[1]:

E_\mathrm{bit} > E_\mathrm{SNL} =k_\mathrm{B} \, T \, \ln 2.

При T = 300 K энергия ESNL ≈ 0,017 эВ ≈ 2,7×10−27 Дж.

Несмотря на то, что увеличение энтропии при стирании одного бита чрезвычайно невелико, современные микросхемы имеют в себе миллиарды транзисторов, переключающихся на частотах до нескольких гигагерц (миллиардов раз в секунду), что увеличивает количество теплоты от стирания информации до измеримых величин.

В начале XXI века компьютеры при обработке одного бита рассеивали примерно в миллион раз больше тепла, чем предсказано принципом. Однако, на начало 2010-х разница снизилась до нескольких тысяч[2], и предсказывается дальнейшее приближение к пределу Ландауэра в течение ближайших десятилетий.

Литература[править | править вики-текст]

  • Рольф Ландауэр «Необратимость и выделение тепла в процессе вычислений»,
    • Перевод И. О. Чередникова, А. Г. Холмской, опубликован в «Квантовый компьютер и квантовые вычисления. Том 2», 1999, ISBN 5-7029-0338-2, стр 9-32;
    • оригинал: Rolf Landauer: «Irreversibility and heat generation in the computing process» IBM Journal of Research and Development, vol. 5, pp. 183—191, 1961.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Hybrid Route From CMOS to Nano and Molecular Electronics. C.F. Cerofolini, D. Mascolo, опубликовано в «Nanotechnology for electronic materials and devices», ISBN 978-0387-23349-9, page 16-18
  2. Bérut, Antoine, et al. «Experimental verification of Landauer’s principle linking information and thermodynamics.» Nature 483.7388 (2012): 187—189: «From a technological perspective, energy dissipation per logic operation in present-day silicon-based digital circuits is about a factor of 1,000 greater than the ultimate Landauer limit, but is predicted to quickly attain it within the next couple of decades»

Ссылки[править | править вики-текст]