При́нцип Ланда́уэра — принцип, сформулированный в 1961 году Рольфом Ландауэром (IBM) и гласящий, что в любой вычислительной системе, независимо от её физической реализации, при потере информации выделяется теплота :
где — константа Больцмана, — абсолютная температура вычислительной системы.
Выражением Шеннона — фон Неймана — Ландауэра () называют минимальную энергию , необходимую для обработки (либо — минимальную высоту барьера, необходимую для разделения двух состояний электрона )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:
При = 300 K энергия ≈ 0,017 эВ ≈ 2,7×10−21 Дж.
Несмотря на то, что увеличение энтропии при стирании одного бита чрезвычайно невелико, в современных микросхемах размещаются 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 тысячBérut, 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»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., 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 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)Logic and Entropy Critique by Orly Shenker (2000) и снова Нортона (2004, 2011),Eaters of the Lotus: Landauer's Principle and the Return of Maxwell's Demon , Критика от John Norton (Apr 2004) и защищалась П. Беннетом (2003) и Лэдимэном (2007).Ladyman et al. The Connection between Logical and Thermodynamic Irreversibility March 2006, Защита принципа.
В 2016 году исследователи из Университета Перуджи утверждали, что им удалось продемонстрировать прямое нарушение принципа Ландауэра, но, согласно Лазло Кишу, их результаты ошибочны, поскольку игнорируют главный источник рассеяния энергии, а именно – зарядовую энергию ёмкости входящего электрода.
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.
В 2020 году было показано, что квантовые эффекты могут привести к увеличению рассеяния энергии по сравнению с пределом Ландауэра в 30 раз.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
Литература 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
Ссылки
Samuel K. Moore. Landauer Limit Demonstrated. Scientists show that a 50-year-old principle limiting future CMOS computing is real: Erasing information gives off heat // IEEE Spectrum, 7 Mar 2012
Категория:Термодинамика Категория:Теория информации Категория:Пределы вычислений Категория:Энтропия Категория:Эмпирические принципы Категория:Законы развития техники Ландауэра Категория:Вычислительная техника