Principiul Landauer

Principiul Landauer  este un principiu formulat în 1961 de Rolf Landauer ( IBM ) [1] și care afirmă că în orice sistem de calcul, indiferent de implementarea sa fizică, pierderea a 1 bit de informație eliberează căldură în cantitate de cel puțin W jouli :

unde k B  este constanta Boltzmann , T  este temperatura absolută a sistemului informatic în kelvins .

Expresia Shannon-von Neumann-Landauer ( Shannon-von Neumann-Landauer, SNL ) este energia minimă E bit necesară pentru a procesa 1 bit (sau înălțimea minimă a barierei necesară pentru a separa două stări de electroni E SNL ) [2] :

La T = 300 K, energia E SNL ≈ 0,017 eV ≈ 2,7×10 −21 J.

În ciuda faptului că creșterea entropiei la ștergerea unui singur bit este extrem de mică, microcircuitele moderne au miliarde de tranzistori în ele, comutând la frecvențe de până la câțiva gigaherți (miliarde de ori pe secundă), ceea ce crește cantitatea de căldură din ștergerea informațiilor. la valori măsurabile.

La începutul secolului al XXI-lea, computerele disipau de aproximativ un milion de ori mai multă căldură atunci când procesau un singur bit decât prevedea principiul. Cu toate acestea, până la începutul anilor 2010, diferența a scăzut la câteva mii [3] [4] , iar în următoarele decenii este prevăzută o nouă abordare a limitei Landauer.

Limitările impuse de principiul Landauer pot fi ocolite prin implementarea calculelor reversibile , ceea ce crește cerințele de memorie și numărul de calcule. De asemenea, uneori se sugerează că calculele reversibile vor fi mai lente.

Verificare ulterioară

În ciuda faptului că principiul Landauer este recunoscut ca o lege fizică, el încă necesită verificare experimentală la diferite niveluri.

Universalitatea principiului a fost criticată în lucrările lui Earman și Norton (1998), apoi Schenker (2000) [5] și din nou de Norton (2004, 2011), [6] și apărată de P. Bennett (2003) și Ladyman (2007). [7]

În 2016, cercetătorii de la Universitatea din Perugia au susținut că au fost capabili să demonstreze o încălcare directă a principiului Landauer [8] , dar, potrivit lui Lazlo Kisch, rezultatele lor sunt eronate deoarece ignoră principala sursă de disipare a energiei, și anume energia de încărcare a capacității electrodului de intrare. [9]

În 2018, a fost confirmată validitatea principiului Landauer la nivel cuantic, în experiment s-a înregistrat că atunci când informația cuantică a qubiților unui computer cuantic este ștearsă, se eliberează și căldură. [zece]

În 2020, s-a demonstrat că efectele cuantice pot duce la o creștere a disipării de energie peste limita Landauer cu un factor de 30. [unsprezece]

Literatură

Note

  1. ↑ C. H. Bennet și A. B. Fowler. Rolf W. Landauer 1927-1999.  O memorie biografică . Academia Națională de Științe (2009). Preluat la 14 ianuarie 2016. Arhivat din original la 3 martie 2016.
  2. ↑ Ruta hibridă de la CMOS la electronică nano și moleculară . CF Cerofolini, D. Mascolo, publicat în Nanotechnology for electronic materials and devices, ISBN 978-0387-23349-9 , pagina 16-18
  3. ↑ Berut, Antoine, et al. „ Verificarea experimentală a principiului lui Landauer care leagă informația și termodinamica. Arhivat 28 februarie 2015 la Wayback Machine » Nature 483.7388 (2012): 187-189: pdf Arhivat 4 noiembrie 2016 la Wayback Machine « Din punct de vedere tehnologic, disiparea energiei per operațiune logică în circuitele digitale actuale pe bază de siliciu este de aproximativ un factor cu 1.000 mai mare decât limita Landauer finală, dar se preconizează că o va atinge rapid în următoarele două decenii »
  4. ↑ Căldura, de mii de ori mai mare decât limita Landauer, este eliberată în timpul procesului de încărcare-descărcare al circuitelor RC parazite , care sunt formate din capacitatea porților și a joncțiunilor pn și a rezistenței conductoarelor interne și a contactelor ohmice ale microcircuitelor.
  5. ↑ Logic and Entropy Arhivat 2 iulie 2010 la Wayback Machine Critique de Orly Shenker (2000)
  6. ↑ Eaters of the Lotus: Landauer's Principle and the Return of Maxwell's Demon Arhivat 8 aprilie 2019 la Wayback Machine , criticat de John Norton (aprilie 2004)
  7. ↑ Ladyman și colab. Conexiunea dintre ireversibilitatea logică și termodinamică Arhivată 8 aprilie 2019 la Wayback Machine martie 2006, Defense of Principle.
  8. ↑ Studiul informatic respinge celebra afirmație că „informația este fizică” . Preluat la 8 aprilie 2019. Arhivat din original la 21 octombrie 2018.
  9. ↑ (PDF) Comentarii despre „Poarta logică ireversibilă micro-electromecanică Sub-kBT  ” . poarta de cercetare. Preluat la 7 iunie 2019. Arhivat din original la 2 februarie 2021.
  10. ↑ Dmitri Trunin. Fizicienii au promis computerelor cuantice probleme cu supraîncălzirea . nplus1.ru. Preluat la 22 mai 2019. Arhivat din original la 31 mai 2019.
  11. ↑ Harry JD Miller, Giacomo Guarnieri, Mark T. Mitchison și John Goold Fluctuațiile cuantice împiedică ștergerea informațiilor în timp finit lângă limita Landauer // Phys. Rev. Lett. 125, 15 octombrie 2020 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.160602

Link -uri