Принцип Ландауэра

Принцип Ландауэра — это физический принцип, к нижнему теоретическому пределу энергопотребления вычислений относящийся . Он утверждает, что необратимое изменение информации , хранящейся в компьютере, например объединение двух вычислительных путей, рассеивает минимальное количество тепла в окружающую среду. ^[1]

Этот принцип был впервые предложен Рольфом Ландауэром в 1961 году.

Заявление

Принцип Ландауэра гласит, что минимальная энергия, необходимая для стирания одного бита информации, пропорциональна температуре, при которой работает система. В частности, энергия, необходимая для этой вычислительной задачи, определяется выражением

E\geq k_{\text{B}}T\ln 2,

где $k_{\text{B}}$ – постоянная Больцмана и $T$ это температура в Кельвинах . ^[2] При комнатной температуре предел Ландауэра представляет энергию примерно 0,018 эВ (2,9 × 10 ⁻²¹ Дж). Современные компьютеры потребляют примерно в миллиард раз больше энергии за одну операцию. ^[3]^[4]

История

Рольф Ландауэр впервые предложил этот принцип в 1961 году, работая в IBM . ^[5] Он обосновал и заявил важные ограничения более ранней гипотезы Джона фон Неймана . По этой причине его иногда называют просто границей Ландауэра или пределом Ландауэра.

В 2008 и 2009 годах исследователи показали, что принцип Ландауэра может быть выведен из второго закона термодинамики и изменения энтропии, связанного с получением информации, развивая термодинамику квантовых и классических систем с обратной связью. ^[6]^[7]

В 2011 году этот принцип был обобщен и показал, что, хотя стирание информации требует увеличения энтропии, теоретически это увеличение может происходить без затрат энергии. ^[8] Вместо этого стоимость можно принять в другой сохраняющейся величине , например, в угловом моменте .

В статье, опубликованной в журнале Nature в 2012 году , группа физиков из Высшей нормальной школы Лиона , Университета Аугсбурга и Университета Кайзерслаутерна описала, что впервые они измерили небольшое количество тепла, выделяющегося при обработке отдельного бита данных. стерт. ^[9]

В 2014 году физические эксперименты проверили принцип Ландауэра и подтвердили его предсказания. ^[10]

В 2016 году исследователи использовали лазерный зонд для измерения количества рассеиваемой энергии, возникающей при переключении наномагнитного бита из выключенного состояния во включенное. Для переворота бита потребовалось 26 миллиэлектронвольт (4,2 зептоджоуля ). ^[11]

В статье, опубликованной в журнале Nature Physics в 2018 году , рассказывается о стирании Ландауэра, выполненном при криогенных температурах ( T = 1 K) на массиве высокоспиновых ( S = 10) квантовых молекулярных магнитов . Массив действует как спиновый регистр, где каждый наномагнит кодирует один бит информации. ^[12] Эксперимент заложил основу для распространения действия принципа Ландауэра на квантовую сферу. Благодаря быстрой динамике и низкой «инерции» одиночных вращений, использованных в эксперименте, исследователи также показали, как операция стирания может быть выполнена с наименьшими термодинамическими затратами, налагаемыми принципом Ландауэра, и с высокой скоростью. . ^[12]^[1]

Проблемы

Этот принцип широко принят как физический закон , но в последние годы он подвергался сомнению из-за использования циклических рассуждений и ошибочных предположений, особенно в Эрмане и Нортоне (1998), а затем в Шенкере (2000). ^[13] и Нортон (2004, ^[14] 2011 ^[15]), и защищен Беннеттом (2003), ^[1] Ледиман и др. (2007), ^[16] и Джордан и Маникадан (2019). ^[17] Сагава и Уэда (2008), а также Као и Фейто (2009) показали, что принцип Ландауэра является следствием второго закона термодинамики и уменьшения энтропии, связанного с получением информации. ^[6]^[7]

С другой стороны, недавние достижения в области неравновесной статистической физики установили, что не существует априорной связи между логической и термодинамической обратимостью. ^[18] Возможно, что физический процесс логически обратим, но термодинамически необратим. Также возможно, что физический процесс логически необратим, но термодинамически обратим. В лучшем случае преимущества реализации вычислений с помощью логически обратимой системы незначительны. ^[19]

В 2016 году исследователи из Университета Перуджи заявили, что продемонстрировали нарушение принципа Ландауэра. ^[20] Однако, по мнению Ласло Киша (2016), ^[21] их результаты недействительны, поскольку они «пренебрегают доминирующим источником рассеяния энергии, а именно энергией заряда емкости входного электрода».

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Чарльз Х. Беннетт (2003), «Заметки о принципе Ландауэра, обратимых вычислениях и демоне Максвелла» (PDF) , Исследования по истории и философии современной физики , 34 (3): 501–510, arXiv : Physics/0210005 , Bibcode : 2003SHPMP..34..501B , doi : 10.1016/S1355-2198(03)00039-X , S2CID 9648186 , получено 18 февраля 2015 г.
^ Вителли, МБ; Пленио, В. (2001). «Физика забывания: принцип стирания Ландауэра и теория информации» (PDF) . Современная физика . 42 (1): 25–60. arXiv : Quant-ph/0103108 . Бибкод : 2001ConPh..42...25P . дои : 10.1080/00107510010018916 . eISSN 1366-5812 . hdl : 10044/1/435 . ISSN 0010-7514 . S2CID 9092795 .
^ Томас Дж. Томпсон. «Наномагнитная память приближается к пределу малой мощности» . Ручка Блумфилда . Архивировано из оригинала 19 декабря 2014 года . Проверено 5 мая 2013 г.
^ Сэмюэл К. Мур (14 марта 2012 г.). «Демонстрация предела Ландауэра» . IEEE-спектр . Проверено 5 мая 2013 г.
^ Рольф Ландауэр (1961), «Необратимость и выделение тепла в вычислительном процессе» (PDF) , IBM Journal of Research and Development , 5 (3): 183–191, doi : 10.1147/rd.53.0183 , получено 18 февраля 2015 г. .
^ Перейти обратно: ^а ^б Сагава, Такахиро; Уэда, Масахито (26 февраля 2008 г.). «Второй закон термодинамики с дискретным управлением с квантовой обратной связью» . Письма о физических отзывах . 100 (8): 080403. arXiv : 0710.0956 . Бибкод : 2008PhRvL.100h0403S . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.080403 . ПМИД 18352605 . S2CID 41799543 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Цао, Ф.Дж.; Фейто, М. (10 апреля 2009 г.). «Термодинамика систем, управляемых с обратной связью» . Физический обзор E . 79 (4): 041118. arXiv : 0805.4824 . Бибкод : 2009PhRvE..79d1118C . дои : 10.1103/PhysRevE.79.041118 . ПМИД 19518184 . S2CID 30188109 .
^ Джоан Ваккаро; Стивен Барнетт (8 июня 2011 г.), «Стирание информации без затрат энергии», Proc. Р. Сок. A , 467 (2130): 1770–1778, arXiv : 1004.5330 , Bibcode : 2011RSPSA.467.1770V , doi : 10.1098/rspa.2010.0577 , S2CID 11768197 .
^ Антуан Берю; Артак Аракелян; Артём Петросян; Серджио Килиберто; Рауль Дилленшнайдер; Эрик Лутц (8 марта 2012 г.), «Экспериментальная проверка принципа Ландауэра, связывающего информацию и термодинамику» (PDF) , Nature , 483 (7388): 187–190, arXiv : 1503.06537 , Bibcode : 2012Natur.483..187B , doi : 10.1038 /nature10872 , PMID 22398556 , S2CID 9415026 .
^ Ёнгун Цзюнь; Момчило Гаврилов; Джон Беххофер (4 ноября 2014 г.), «Высокоточная проверка принципа Ландауэра в ловушке обратной связи», Physical Review Letters , 113 (19): 190601, arXiv : 1408.5089 , Bibcode : 2014PhRvL.113s0601J , doi : 10.1103/PhysRevLett.1 13.190601 , PMID 25415891 , S2CID 10164946 .
^ Хон, Чонмин; Ламбсон, Брайан; Дуи, Скотт; Бокор, Джеффри (01 марта 2016 г.). «Экспериментальная проверка принципа Ландауэра в однобитовых операциях с битами наномагнитной памяти» . Достижения науки . 2 (3): e1501492. Бибкод : 2016SciA....2E1492H . дои : 10.1126/sciadv.1501492 . ISSN 2375-2548 . ПМЦ 4795654 . ПМИД 26998519 . .
^ Перейти обратно: ^а ^б Рокко Гауденци; Энрике Бурзури; Сатору Маэгава; Эрре ван дер Зант; Фернандо Луис (19 марта 2018 г.), «Квантовое стирание Ландауэра с помощью молекулярного наномагнита» , Nature Physics , 14 (6): 565–568, Бибкод : 2018NatPh..14..565G , doi : 10.1038/s41567-018-0070- 7 , hdl : 10261/181265 , S2CID 125321195 .
^ Шенкер, Орли Р. (июнь 2000 г.). «Логика и энтропия [препринт]» . Архив филологических наук . Архивировано из оригинала 15 ноября 2023 года . Проверено 20 декабря 2023 г.
^ Нортон, Джон Д. (июнь 2005 г.). «Пожиратели лотоса: принцип Ландауэра и возвращение демона Максвелла» . Исследования по истории и философии науки. Часть B: Исследования по истории и философии современной физики . 36 (2): 375–411. Бибкод : 2005ШПМП..36..375Н . дои : 10.1016/j.shpsb.2004.12.002 . S2CID 21104635 . Архивировано из оригинала 5 июня 2023 года . Проверено 20 декабря 2023 г.
^ Нортон, Джон Д. (август 2011 г.). «В ожидании Ландауэра» (PDF) . Исследования по истории и философии науки. Часть B: Исследования по истории и философии современной физики . 42 (3): 184–198. Бибкод : 2011ШПМП..42..184Н . дои : 10.1016/j.shpsb.2011.05.002 . Проверено 20 декабря 2023 г.
^ Ледиман, Джеймс; Преснелл, Стюарт; Коротко, Энтони Дж.; Гройсман, Берри (март 2007 г.). «Связь между логической и термодинамической необратимостью» . Исследования по истории и философии науки. Часть B: Исследования по истории и философии современной физики . 38 (1): 58–79. Бибкод : 2007ШПМП..38...58Л . дои : 10.1016/j.shpsb.2006.03.007 . Проверено 20 декабря 2023 г.
^ Джордан, Эндрю; Маникандан, Шринат (12 декабря 2019 г.). «Некоторые любят погорячее» . Заключение: Международное обозрение науки . 5 (1). дои : 10.37282/991819.19.82 . S2CID 241470079 .
^ Такахиро Сагава (2014), «Возврат к термодинамической и логической обратимости», Журнал статистической механики: теория и эксперимент , 2014 (3): 03025, arXiv : 1311.1886 , Bibcode : 2014JSMTE..03..025S , doi : 10.1088/1742- 5468/2014/03/P03025 , S2CID 119247579 .
^ Дэвид Х. Вулперт (2019), «Стохастическая термодинамика вычислений», Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical , 52 (19): 193001, arXiv : 1905.05669 , Bibcode : 2019JPhA...52s3001W , doi : 10.1088/1751-8121 /ab0850 , S2CID 126715753 .
^ «Исследование вычислительной техники опровергает известное утверждение о том, что «информация физична» » . m.phys.org .
^ Ласло Бела Киш (2016). «Комментарии к записи ' Суб -к _Б Т Микроэлектромеханический необратимый логический вентиль ' » . Флуктуационные и шумовые буквы . 14 (4): 1620001–1620194. arXiv : 1606.09493 . Бибкод : 2016ФНЛ....1520001К . дои : 10.1142/S0219477516200017 . S2CID 12110986 . Проверено 8 марта 2020 г.

Дальнейшее чтение

Прокопенко Михаил; Лизье, Джозеф Т. (2014), «Энтропия переноса и переходные пределы вычислений», Scientific Reports , 4 (1): 5394, Bibcode : 2014NatSR...4E5394P , doi : 10.1038/srep05394 , PMC 4066251 , PMID 24953547

Внешние ссылки

Ресурсы библиотеки о
Принцип Ландауэра

Общественная дискуссия о справедливости принципа Ландауэра (конференция Hot Topics in Physical Informatics, 12 ноября 2013 г.)
Вступительная статья о принципе Ландауэра и обратимых вычислениях
Марони, OJE « Обработка информации и термодинамическая энтропия » Стэнфордская энциклопедия философии.
Eurekalert.org: «Магнитная память и логика могут обеспечить максимальную энергоэффективность» , 1 июля 2011 г.

[bennett-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Чарльз Х. Беннетт (2003), «Заметки о принципе Ландауэра, обратимых вычислениях и демоне Максвелла» (PDF) , Исследования по истории и философии современной физики , 34 (3): 501–510, arXiv : Physics/0210005 , Bibcode : 2003SHPMP..34..501B , doi : 10.1016/S1355-2198(03)00039-X , S2CID 9648186 , получено 18 февраля 2015 г.

[2] Вителли, МБ; Пленио, В. (2001). «Физика забывания: принцип стирания Ландауэра и теория информации» (PDF) . Современная физика . 42 (1): 25–60. arXiv : Quant-ph/0103108 . Бибкод : 2001ConPh..42...25P . дои : 10.1080/00107510010018916 . eISSN 1366-5812 . hdl : 10044/1/435 . ISSN 0010-7514 . S2CID 9092795 .

[3] Томас Дж. Томпсон. «Наномагнитная память приближается к пределу малой мощности» . Ручка Блумфилда . Архивировано из оригинала 19 декабря 2014 года . Проверено 5 мая 2013 г.

[4] Сэмюэл К. Мур (14 марта 2012 г.). «Демонстрация предела Ландауэра» . IEEE-спектр . Проверено 5 мая 2013 г.

[landauer-5] Рольф Ландауэр (1961), «Необратимость и выделение тепла в вычислительном процессе» (PDF) , IBM Journal of Research and Development , 5 (3): 183–191, doi : 10.1147/rd.53.0183 , получено 18 февраля 2015 г. .

[:0-6] Перейти обратно: ^а ^б Сагава, Такахиро; Уэда, Масахито (26 февраля 2008 г.). «Второй закон термодинамики с дискретным управлением с квантовой обратной связью» . Письма о физических отзывах . 100 (8): 080403. arXiv : 0710.0956 . Бибкод : 2008PhRvL.100h0403S . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.080403 . ПМИД 18352605 . S2CID 41799543 .

[:1-7] Перейти обратно: ^а ^б Цао, Ф.Дж.; Фейто, М. (10 апреля 2009 г.). «Термодинамика систем, управляемых с обратной связью» . Физический обзор E . 79 (4): 041118. arXiv : 0805.4824 . Бибкод : 2009PhRvE..79d1118C . дои : 10.1103/PhysRevE.79.041118 . ПМИД 19518184 . S2CID 30188109 .

[vaccaro-8] Джоан Ваккаро; Стивен Барнетт (8 июня 2011 г.), «Стирание информации без затрат энергии», Proc. Р. Сок. A , 467 (2130): 1770–1778, arXiv : 1004.5330 , Bibcode : 2011RSPSA.467.1770V , doi : 10.1098/rspa.2010.0577 , S2CID 11768197 .

[berut-9] Антуан Берю; Артак Аракелян; Артём Петросян; Серджио Килиберто; Рауль Дилленшнайдер; Эрик Лутц (8 марта 2012 г.), «Экспериментальная проверка принципа Ландауэра, связывающего информацию и термодинамику» (PDF) , Nature , 483 (7388): 187–190, arXiv : 1503.06537 , Bibcode : 2012Natur.483..187B , doi : 10.1038 /nature10872 , PMID 22398556 , S2CID 9415026 .

[jun-10] Ёнгун Цзюнь; Момчило Гаврилов; Джон Беххофер (4 ноября 2014 г.), «Высокоточная проверка принципа Ландауэра в ловушке обратной связи», Physical Review Letters , 113 (19): 190601, arXiv : 1408.5089 , Bibcode : 2014PhRvL.113s0601J , doi : 10.1103/PhysRevLett.1 13.190601 , PMID 25415891 , S2CID 10164946 .

[11] Хон, Чонмин; Ламбсон, Брайан; Дуи, Скотт; Бокор, Джеффри (01 марта 2016 г.). «Экспериментальная проверка принципа Ландауэра в однобитовых операциях с битами наномагнитной памяти» . Достижения науки . 2 (3): e1501492. Бибкод : 2016SciA....2E1492H . дои : 10.1126/sciadv.1501492 . ISSN 2375-2548 . ПМЦ 4795654 . ПМИД 26998519 . .

[Gaudenzi-12] Перейти обратно: ^а ^б Рокко Гауденци; Энрике Бурзури; Сатору Маэгава; Эрре ван дер Зант; Фернандо Луис (19 марта 2018 г.), «Квантовое стирание Ландауэра с помощью молекулярного наномагнита» , Nature Physics , 14 (6): 565–568, Бибкод : 2018NatPh..14..565G , doi : 10.1038/s41567-018-0070- 7 , hdl : 10261/181265 , S2CID 125321195 .

[shenker-13] Шенкер, Орли Р. (июнь 2000 г.). «Логика и энтропия [препринт]» . Архив филологических наук . Архивировано из оригинала 15 ноября 2023 года . Проверено 20 декабря 2023 г.

[norton-14] Нортон, Джон Д. (июнь 2005 г.). «Пожиратели лотоса: принцип Ландауэра и возвращение демона Максвелла» . Исследования по истории и философии науки. Часть B: Исследования по истории и философии современной физики . 36 (2): 375–411. Бибкод : 2005ШПМП..36..375Н . дои : 10.1016/j.shpsb.2004.12.002 . S2CID 21104635 . Архивировано из оригинала 5 июня 2023 года . Проверено 20 декабря 2023 г.

[norton2-15] Нортон, Джон Д. (август 2011 г.). «В ожидании Ландауэра» (PDF) . Исследования по истории и философии науки. Часть B: Исследования по истории и философии современной физики . 42 (3): 184–198. Бибкод : 2011ШПМП..42..184Н . дои : 10.1016/j.shpsb.2011.05.002 . Проверено 20 декабря 2023 г.

[short-16] Ледиман, Джеймс; Преснелл, Стюарт; Коротко, Энтони Дж.; Гройсман, Берри (март 2007 г.). «Связь между логической и термодинамической необратимостью» . Исследования по истории и философии науки. Часть B: Исследования по истории и философии современной физики . 38 (1): 58–79. Бибкод : 2007ШПМП..38...58Л . дои : 10.1016/j.shpsb.2006.03.007 . Проверено 20 декабря 2023 г.

[jordan-17] Джордан, Эндрю; Маникандан, Шринат (12 декабря 2019 г.). «Некоторые любят погорячее» . Заключение: Международное обозрение науки . 5 (1). дои : 10.37282/991819.19.82 . S2CID 241470079 .

[sagawa-18] Такахиро Сагава (2014), «Возврат к термодинамической и логической обратимости», Журнал статистической механики: теория и эксперимент , 2014 (3): 03025, arXiv : 1311.1886 , Bibcode : 2014JSMTE..03..025S , doi : 10.1088/1742- 5468/2014/03/P03025 , S2CID 119247579 .

[wolpert-19] Дэвид Х. Вулперт (2019), «Стохастическая термодинамика вычислений», Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical , 52 (19): 193001, arXiv : 1905.05669 , Bibcode : 2019JPhA...52s3001W , doi : 10.1088/1751-8121 /ab0850 , S2CID 126715753 .

[20] «Исследование вычислительной техники опровергает известное утверждение о том, что «информация физична» » . m.phys.org .

[21] Ласло Бела Киш (2016). «Комментарии к записи ' Суб -к _Б Т Микроэлектромеханический необратимый логический вентиль ' » . Флуктуационные и шумовые буквы . 14 (4): 1620001–1620194. arXiv : 1606.09493 . Бибкод : 2016ФНЛ....1520001К . дои : 10.1142/S0219477516200017 . S2CID 12110986 . Проверено 8 марта 2020 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]