stringtranslate.com

принцип Ландауэра

Принцип Ландауэра — физический принцип, относящийся к нижнему теоретическому пределу потребления энергии вычислений . Он гласит, 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 как

где — постоянная Больцмана , а — температура в градусах Кельвина . [2] При комнатной температуре предел Ландауэра соответствует энергии приблизительно 0,018 эВ (2,9 × 10−21  Дж). По состоянию на 2012 год 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 установил важные ограничения для 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 приростом информации, разработав термодинамику квантовых и классических систем, управляемых с помощью обратной связи. [6] [7]

В 2011 году этот принцип был обобщен, чтобы показать, что, хотя стирание информации требует увеличения энтропии, это увеличение теоретически может происходить без затрат энергии. [8] Вместо этого стоимость может быть взята в другой сохраняющейся величине , такой как угловой момент .

В статье, опубликованной в журнале Nature в 2012 году , группа физиков из Высшей нормальной школы Лиона , Университета Аугсбурга и Университета Кайзерслаутерна описала, что впервые им удалось измерить крошечное количество тепла, выделяющегося при стирании отдельного бита данных. [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, которая возникает при переключении наномагнитного бита из состояния «выкл» в состояние «вкл». Переключение бита требует 26 миллиэлектронвольт (4,2 зептоджоуля ). [11]

Статья 2018 года, опубликованная в Nature Physics, описывает стирание Ландауэра, выполненное при криогенных температурах ( T = 1 K) на массиве высокоспиновых ( S = 10) квантовых молекулярных магнитов . Массив создан для работы в качестве регистра спина, где каждый наномагнит кодирует один бит информации. [12] Эксперимент заложил основы для распространения действия принципа Ландауэра на квантовую сферу. Благодаря быстрой динамике и низкой «инерции» отдельных спинов, используемых в эксперименте, исследователи также показали, как операция стирания может быть выполнена с минимально возможными термодинамическими затратами — которые налагаются принципом Ландауэра — и с высокой скоростью. [12] [1]

Вызовы

Этот принцип широко принят как физический закон , но в последние годы он был оспорен из-за использования круговых рассуждений и ошибочных предположений, в частности, в работах Эрмана и Нортона (1998), а затем в работах Шенкера (2000) [13] и Нортона (2004, [14] 2011 [15] ), и защищался Беннеттом (2003), [1] Ледиманом и др. (2007), [16] и Джорданом и Маниканданом (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 неравновесной статистической физике установили, что не существует априорной связи между логической и термодинамической обратимостью. [18] Возможно, что физический процесс является логически обратимым, но термодинамически необратимым. Также возможно, что физический процесс является логически необратимым, но термодинамически обратимым. В лучшем случае, преимущества реализации вычисления с помощью логически обратимой системы являются нюансированными. [19]

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

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Charles H. Bennett (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 2015-02-18.
  2. ^ Вителли, МБ; Пленио, В. (2001). «Физика забывания: принцип стирания Ландауэра и теория информации» (PDF) . Contemporary Physics . 42 (1): 25–60. arXiv : quant-ph/0103108 . Bibcode :2001ConPh..42...25P. doi :10.1080/00107510010018916. eISSN  1366-5812. hdl :10044/1/435. ISSN  0010-7514. S2CID  9092795.
  3. ^ Томас Дж. Томпсон. «Наномагнитные памяти приближаются к пределу малой мощности». bloomfield knobble . Архивировано из оригинала 19 декабря 2014 г. Получено 5 мая 2013 г.
  4. ^ Сэмюэл К. Мур (14 марта 2012 г.). «Продемонстрирован предел Ландауэра». IEEE Spectrum . Получено 5 мая 2013 г.
  5. ^ Рольф Ландауэр (1961), «Необратимость и выделение тепла в процессе вычислений» (PDF) , IBM Journal of Research and Development , 5 (3): 183–191, doi :10.1147/rd.53.0183 , получено 18 февраля 2015 г..
  6. ^ ab Сагава, Такахиро; Уэда, Масахито (2008-02-26). "Второй закон термодинамики с дискретным квантовым управлением обратной связью". Physical Review Letters . 100 (8): 080403. arXiv : 0710.0956 . Bibcode : 2008PhRvL.100h0403S. doi : 10.1103/PhysRevLett.100.080403. PMID  18352605. S2CID  41799543.
  7. ^ ab Cao, FJ; Feito, M. (2009-04-10). "Термодинамика систем с обратной связью". Physical Review E. 79 ( 4): 041118. arXiv : 0805.4824 . Bibcode : 2009PhRvE..79d1118C. doi : 10.1103/PhysRevE.79.041118. PMID  19518184. S2CID  30188109.
  8. ^ Джоан Ваккаро; Стивен Барнетт (8 июня 2011 г.), «Стирание информации без затрат энергии», Proc. R. Soc. A , 467 (2130): 1770–1778, arXiv : 1004.5330 , Bibcode : 2011RSPSA.467.1770V, doi : 10.1098/rspa.2010.0577, S2CID  11768197.
  9. ^ Антуан Берут; Артак Аракелян; Артём Петросян; Серхио Силиберто; 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.
  10. ^ Yonggun Jun; Momčilo Gavrilov; John Bechhoefer (4 ноября 2014 г.), "Высокоточная проверка принципа Ландауэра в ловушке с обратной связью", Physical Review Letters , 113 (19): 190601, arXiv : 1408.5089 , Bibcode : 2014PhRvL.113s0601J, doi : 10.1103/PhysRevLett.113.190601, PMID  25415891, S2CID  10164946.
  11. ^ Хонг, Чонмин; Лэмбсон, Брайан; Дуэй, Скотт; Бокор, Джеффри (2016-03-01). «Экспериментальная проверка принципа Ландауэра в однобитовых операциях на битах наномагнитной памяти». Science Advances . 2 (3): e1501492. Bibcode :2016SciA....2E1492H. doi :10.1126/sciadv.1501492. ISSN  2375-2548. PMC 4795654 . PMID  26998519. .
  12. ^ аб 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.
  13. ^ Шенкер, Орли Р. (июнь 2000 г.). «Логика и энтропия [препринт]». Архив PhilSci . Архивировано из оригинала 15 ноября 2023 г. Получено 20 декабря 2023 г.
  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. Bibcode :2005SHPMP..36..375N. doi :10.1016/j.shpsb.2004.12.002. S2CID  21104635. Архивировано из оригинала 5 июня 2023 г. . Получено 20 декабря 2023 г. .
  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. Bibcode :2011SHPMP..42..184N. doi :10.1016/j.shpsb.2011.05.002 . Получено 20 декабря 2023 г. .
  16. ^ Ladyman, James; Presnell, Stuart; Short, Anthony J.; Groisman, Berry (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. Bibcode : 2007SHPMP..38...58L. doi : 10.1016/j.shpsb.2006.03.007 . Получено 20 декабря 2023 г.
  17. ^ Джордан, Эндрю; Маникандан, Шринат (12 декабря 2019 г.). «В джазе только девушки». Вывод: International Review of Science . 5 (1). doi : 10.37282/991819.19.82. S2CID  241470079.
  18. ^ Такахиро Сагава (2014), «Повторный взгляд на термодинамические и логические 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.
  19. ^ Дэвид Х. Вулперт (2019), «Стохастическая термодинамика вычислений», Журнал физики A: Математические и теоретические , 52 (19): 193001, arXiv : 1905.05669 , Bibcode : 2019JPhA...52s3001W, doi : 10.1088/1751-8121/ab0850, S2CID  126715753.
  20. ^ «Исследования в области вычислительной техники опровергают известное утверждение о том, что «информация физична». m.phys.org .
  21. ^ Ласло Бела Киш (2016). «Комментарии к „Sub-kBT Micro-Electromechanical Irreversible Logic Gate“». Fluctuation and Noise Letters . 14 (4): 1620001–1620194. arXiv : 1606.09493 . Bibcode : 2016FNL....1520001K. doi : 10.1142/S0219477516200017. S2CID  12110986. Получено 08.03.2020 .

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

Библиотечные ресурсы о
принципе Ландауэра
  • Ресурсы в вашей библиотеке
  • Ресурсы в других библиотеках