Принцип Ландауэра - Landauers principle - Wikipedia

Не путать с Принцип Ландау.

Принцип Ландауэра это физический принцип относящийся к нижнему теоретический предел потребление энергии из вычисление. Он утверждает, что «любое логически необратимое манипулирование Информация, например, стирание кусочек или слияние двух вычисление дорожки, должны сопровождаться соответствующими энтропия рост неинформативных степени свободы устройства обработки информации или его окружения ".[1]

Другой способ сформулировать принцип Ландауэра состоит в том, что если наблюдатель теряет информацию о физическая система, наблюдатель теряет возможность извлекать работу из этой системы.

Так называемое логически обратимое вычисление, при котором никакая информация не стирается, в принципе может выполняться без выделения тепла. Это вызвало значительный интерес к изучению обратимые вычисления. В самом деле, без обратимых вычислений рост числа вычислений на джоуль рассеиваемой энергии должен прекратиться примерно к 2050 году: поскольку предел, подразумеваемый принципом Ландауэра, будет достигнут к тому времени, согласно Закон Куми.

При 20 ° C (комнатная температура, или 293,15 K) предел Ландауэра представляет собой энергию приблизительно 0,0175эВ, или 2,805zJ. Теоретически память компьютера при комнатной температуре, работающая на пределе Ландауэра, может изменяться со скоростью один миллиард бит в секунду (1 Гбит / с), при этом энергия преобразуется в тепло в запоминающем устройстве со скоростью всего 2,805 триллионных долей ватта (то есть , всего 2,805 пДж / с). Современные компьютеры потребляют в миллионы раз больше энергии в секунду.[2][3][4]

История

Рольф Ландауэр впервые предложил принцип в 1961 году, работая в IBM.[5] Он обосновал и установил важные ограничения для более ранней гипотезы. Джон фон Нейман. По этой причине его иногда называют просто пределом Ландауэра или пределом Ландауэра.

В 2011 году этот принцип был обобщен, чтобы показать, что, хотя стирание информации требует увеличения энтропии, теоретически это увеличение может происходить без затрат энергии.[6] Вместо этого стоимость можно взять в другом сохраненное количество, Такие как угловой момент.

В статье 2012 г., опубликованной в Природа, команда физиков из École normale supérieure de Lyon, Аугсбургский университет и Кайзерслаутернский университет описали, что впервые они измерили крошечное количество тепла, выделяемого при стирании отдельного бита данных.[7]

В 2014 году физические эксперименты проверили принцип Ландауэра и подтвердили его предсказания.[8]

В 2016 году исследователи использовали лазерный зонд, чтобы измерить количество рассеиваемой энергии, которое возникает, когда наномагнитный бит переключается с выключенного на включенное состояние. Для переворота биты требовалось 26 милэлектронвольт (4,2 зептоджоули ).[9]

Статья 2018 г., опубликованная в Природа Физика имеет стирание Ландауэра, выполняемое при криогенных температурах (T = 1K) на массиве высокоспиновых (S = 10) квантовых молекулярные магниты. Массив выполнен в качестве спинового регистра, в котором каждый наномагнит кодирует один бит информации.[10] Эксперимент заложил основы для распространения действия принципа Ландауэра на квантовую сферу. Благодаря быстрой динамике и низкой «инерции» одиночных спинов, используемых в эксперименте, исследователи также показали, как операция стирания может быть проведена с минимально возможными термодинамическими затратами, налагаемыми принципом Ландауэра, и с высокой скоростью. .[10]

Обоснование

Принцип Ландауэра можно понять как простой логическое следствие из второй закон термодинамики - который утверждает, что энтропия изолированная система не может уменьшаться - вместе с определением термодинамическая температура. Ибо, если количество возможных логических состояний вычисления должно было уменьшаться по мере того, как вычисление продолжалось (логическая необратимость), это составляло бы запрещенное уменьшение энтропии, если только количество возможных физических состояний, соответствующих каждому логическому состоянию, не должно было одновременно увеличиваться по крайней мере на компенсирующую величину, чтобы общее количество возможных физических состояний было не меньше, чем оно было изначально (т.е. общая энтропия не уменьшилась).

Тем не менее, увеличение количества физических состояний, соответствующих каждому логическому состоянию, означает, что для наблюдателя, который отслеживает логическое состояние системы, но не физическое состояние (например, «наблюдатель», состоящий из самого компьютера) , увеличилось количество возможных физических состояний; другими словами, с точки зрения этого наблюдателя энтропия увеличилась.

Максимальная энтропия ограниченной физической системы конечна. (Если голографический принцип правильно, то физические системы с конечным площадь поверхности иметь конечную максимальную энтропию; но независимо от истинности голографического принципа, квантовая теория поля диктует, что энтропия систем с конечным радиусом и энергией конечна из-за Бекенштейн связан.) Чтобы избежать достижения этого максимума в ходе расширенных вычислений, энтропия в конечном итоге должна быть вытеснена во внешнюю среду.

Уравнение

Принцип Ландауэра утверждает, что существует минимально возможное количество энергии, необходимое для стирания одного бита информации, известного как Предел Ландауэра:

куда это Постоянная Больцмана (приблизительно 1,38 × 10−23 Дж / К), температура радиатора в кельвины, и это натуральный логарифм из 2 (примерно 0,69315). После установки Т равной комнатной температуре 20 ° C (293,15 K), мы можем получить предел Ландауэра 0,0175эВ (2.805 zJ ) на кусочек стерто.

Для окружающей среды при температуре Т, энергия E = ST должен быть испущен в эту среду, если количество добавленной энтропии S. Для вычислительной операции, при которой теряется 1 бит логической информации, количество генерируемой энтропии составляет не менее kB ln 2, поэтому энергия, которая в конечном итоге должна быть выделена в окружающую среду, равна E ≥ kBТ пер 2.

Вызовы

Этот принцип широко известен как физический закон, но в последние годы возникла проблема использования круговое рассуждение и ошибочные предположения, особенно в Earman and Norton (1998), а затем в Shenker (2000)[11] и Нортон (2004 г.,[12] 2011[13]), которую защищает Беннетт (2003),[1] Ladyman et al. (2007),[14] и Джорданом и Маниканданом (2019).[15]

С другой стороны, недавние достижения в области неравновесной статистической физики установили, что нет никакой априорной связи между логической и термодинамической обратимостью.[16] Возможно, что физический процесс логически обратим, но термодинамически необратим. Также возможно, что физический процесс является логически необратимым, но термодинамически обратимым. В лучшем случае преимущества реализации вычислений с помощью логически обратимых систем имеют нюансы.[17]

В 2016 году исследователи из Университет Перуджи утверждал, что продемонстрировал нарушение принципа Ландауэра.[18] Однако, по словам Ласло Киша (2016),[19] их результаты недействительны, потому что они «пренебрегают доминирующим источником рассеяния энергии, а именно, энергией заряда емкости входного электрода».

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б 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:физика / 0210005, Bibcode:2003ШПМП..34..501Б, Дои:10.1016 / S1355-2198 (03) 00039-X, S2CID  9648186, получено 2015-02-18
  2. ^ "Блог Tikalon Дев Гуалтьери". Tikalon.com. Получено 5 мая, 2013.
  3. ^ «Наномагнетическая память приближается к пределу низкой мощности | ручка Блумфилда». Bloomweb.com. Архивировано из оригинал 19 декабря 2014 г.. Получено 5 мая, 2013.
  4. ^ «Продемонстрированный предел Ландауэра - IEEE Spectrum». Spectrum.ieee.org. Получено 5 мая, 2013.
  5. ^ Рольф Ландауэр (1961), «Необратимость и тепловыделение в вычислительном процессе» (PDF), Журнал исследований и разработок IBM, 5 (3): 183–191, Дои:10.1147 / rd.53.0183, получено 2015-02-18
  6. ^ Джоан Ваккаро; Стивен Барнетт (8 июня 2011 г.), «Стирание информации без затрат на энергию», Proc. R. Soc. А, 467 (2130): 1770–1778, arXiv:1004.5330, Bibcode:2011RSPSA.467.1770V, Дои:10.1098 / rspa.2010.0577, S2CID  11768197
  7. ^ Антуан Беру; Артак Аракелян; Артем Петросян; Серхио Силиберто; Рауль Дилленшнайдер; Эрик Лутц (8 марта 2012 г.), «Экспериментальная проверка принципа Ландауэра, связывающего информацию и термодинамику» (PDF), Природа, 483 (7388): 187–190, arXiv:1503.06537, Bibcode:2012Натура 483..187Б, Дои:10.1038 / природа10872, PMID  22398556, S2CID  9415026
  8. ^ Юнгун Цзюнь; Момчило Гаврилов; Джон Бечхофер (4 ноября 2014 г.), «Высокоточная проверка принципа Ландауэра в ловушке обратной связи», Письма с физическими проверками, 113 (19): 190601, arXiv:1408.5089, Bibcode:2014PhRvL.113s0601J, Дои:10.1103 / PhysRevLett.113.190601, PMID  25415891, S2CID  10164946
  9. ^ Хонг, Чонмин; Лэмбсон, Брайан; Дхуи, Скотт; Бокор, Джеффри (2016-03-01). «Экспериментальная проверка принципа Ландауэра в однобитовых операциях над битами наномагнитной памяти». Достижения науки. 2 (3): e1501492. Bibcode:2016SciA .... 2E1492H. Дои:10.1126 / sciadv.1501492. ISSN  2375-2548. ЧВК  4795654. PMID  26998519.
  10. ^ а б Рокко Гауденци; Энрике Бурзури; Сатору Маэгава; Херре ван дер Зант; Фернандо Луис (19 марта 2018 г.), «Квантовое стирание Ландауэра с помощью молекулярного наномагнита», Природа Физика, 14 (6): 565–568, Bibcode:2018НатФ..14..565Г, Дои:10.1038 / s41567-018-0070-7, S2CID  125321195
  11. ^ Логика и энтропия Критика Орли Шенкера (2000)
  12. ^ Пожиратели лотоса Критика Джона Нортона (2004)
  13. ^ В ожидании Ландауэра Ответ Нортона (2011 г.)
  14. ^ Связь логической и термодинамической необратимости Защита Ladyman et al. (2007)
  15. ^ Некоторые любят погорячее, Письмо в редакцию в ответ на статью Нортона А. Джордана и С. Маникандана (2019)
  16. ^ Такахиро Сагава (2014), «Возвращение к термодинамической и логической обратимости», Журнал статистической механики: теория и эксперимент, 2014 (3): 03025, arXiv:1311.1886, Bibcode:2014JSMTE..03..025S, Дои:10.1088 / 1742-5468 / 2014/03 / P03025, S2CID  119247579
  17. ^ Дэвид Х. Вольперт (2019), «Стохастическая термодинамика вычислений», Журнал физики A: математический и теоретический, 52 (19): 193001, arXiv:1905.05669, Bibcode:2019JPhA ... 52s3001W, Дои:10.1088 / 1751-8121 / ab0850, S2CID  126715753
  18. ^ "Компьютерное исследование опровергает известное утверждение, что" информация является физической'". m.phys.org.
  19. ^ Ласло Бела Киш, 42,27 Техасский университет A&M. "Комментарии к" Sub-kBT Micro-Electromechanical Irreversible Logic Gate"". Получено 2020-03-08.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)

дальнейшее чтение

внешняя ссылка

Библиотечные ресурсы о
Принцип Ландауэра