Принцип Ландауэра

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

При́нцип Ланда́уэра — принцип, сформулированный в 1961 году Рольфом Ландауэром (IBM)[1] 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:

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

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)[2]:

При T = 300 K энергия ESNL ≈ 0,017 эВ ≈ 2,7×10−21 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[3][4], и предсказывается дальнейшее приближение к пределу Ландауэра в течение ближайших десятилетий.

Ограничения накладываемые принципом Ландауэра можно обойти путём реализации обратимых вычислений, при этом возрастают требования к объёму памяти и количеству вычислений. Иногда также высказываются предположения, что обратимые вычисления будут медленнее.

Дальнейшая проверка[править | править код]

Несмотря на то, что принцип Ландауэра признан в качестве физического закона, он до сих пор требует проверки экспериментальным путём на разных уровнях.

Универсальность принципа критиковалась в работах Еармана и Нортона (1998), а затем Шенкера (2000)[5] и снова Нортона (2004, 2011),[6] и защищалась П. Беннетом (2003) и Лэдимэном (2007).[7]

В 2016 году исследователи из Университета Перуджи утверждали, что им удалось продемонстрировать прямое нарушение принципа Ландауэра,[8] но, согласно Лазло Кишу, их результаты ошибочны, поскольку игнорируют главный источник рассеяния энергии, а именно – зарядовую энергию ёмкости входящего электрода.[9]

В 2018 году была подтверждена справедливость принципа Ландауэра на квантовом уровне, в эксперименте было зафиксировано, что при стирании квантовой информации кубитов квантового компьютера также происходит тепловыделение.[10]

В 2020 году было показано, что квантовые эффекты могут привести к увеличению рассеяния энергии по сравнению с пределом Ландауэра в 30 раз.[11]

Литература[править | править код]

  • 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 код]

  1. C.H. Bennet and A.B. Fowler. Rolf W. Landauer 1927—1999. A Biographical Memoir (англ.). National Academy of Sciences (2009). Дата обращения: 14 января 2016.
  2. 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
  3. Bérut, Antoine, et al. «Experimental verification of Landauer’s principle linking information and thermodynamics.» Nature 483.7388 (2012): 187—189: pdf «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»
  4. Тепло, в тысячи раз превышающее предел Ландауэра, выделяется в процессе заряда-разряда паразитных RC-цепочек, которые образованы ёмкостью затворов и p-n-переходов, и сопротивлением внутренних проводников и омических контактов микросхем.
  5. Logic and Entropy Critique by Orly Shenker (2000)
  6. Eaters of the Lotus: Landauer's Principle and the Return of Maxwell's Demon, Критика от John Norton (Apr 2004)
  7. Ladyman et al. The Connection between Logical and Thermodynamic Irreversibility March 2006, Защита принципа.
  8. Computing study refutes famous claim that 'information is physical'
  9. (PDF) Comments on “Sub-kBT Micro-Electromechanical Irreversible Logic Gate” (англ.). ResearchGate. Дата обращения: 7 июня 2019.
  10. Дмитрий Трунин. Физики пообещали квантовым компьютерам проблемы с перегревом. nplus1.ru. Дата обращения: 22 мая 2019.
  11. Harry J. D. Miller, Giacomo Guarnieri, Mark T. Mitchison, and John Goold Quantum Fluctuations Hinder Finite-Time Information Erasure near the Landauer Limit // Phys. Rev. Lett. 125, 15 October 2020 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.160602

Ссылки[править | править код]