Landauer princip

Landauer-  principen är en princip som formulerades 1961 av Rolf Landauer ( IBM ) [1] och som säger att i vilket datorsystem som helst, oavsett dess fysiska implementering, frigör förlusten av 1 bit information värme i en mängd av minst W joule :

där k B  är Boltzmann-konstanten , T  är datorsystemets absoluta temperatur i kelvin .

Shannon-von Neumann-Landauer ( Shannon-von Neumann-Landauer, SNL ) uttryck är den minsta energi E -bit som krävs för att bearbeta 1 bit (eller den minsta barriärhöjd som krävs för att separera två elektrontillstånd E SNL ) [2] :

Vid T = 300 K är energin E SNL ≈ 0,017 eV ≈ 2,7×10 −21 J.

Trots det faktum att ökningen av entropi när man raderar en enskild bit är extremt liten, har moderna mikrokretsar miljarder transistorer i sig, som växlar vid frekvenser upp till flera gigahertz (miljarder gånger per sekund), vilket ökar mängden värme från att radera information till mätbara värden.

I början av 2000-talet avledde datorer omkring en miljon gånger mer värme när de bearbetade en enda bit än vad principen förutsäger. Men i början av 2010-talet hade skillnaden sjunkit till några tusen [3] [4] , och ett ytterligare närmande till Landauer-gränsen förutspås under de kommande decennierna.

De begränsningar som Landauer-principen ställer kan kringgås genom att implementera reversibla beräkningar , vilket ökar kraven på minne och antalet beräkningar. Det föreslås också ibland att reversibla beräkningar kommer att gå långsammare.

Ytterligare verifiering

Trots att Landauer-principen är erkänd som en fysisk lag, kräver den fortfarande experimentell verifiering på olika nivåer.

Principens universalitet kritiserades i verk av Earman och Norton (1998), och sedan Schenker (2000) [5] och återigen av Norton (2004, 2011), [6] och försvarades av P. Bennett (2003) och Ladyman (2007). [7]

År 2016 hävdade forskare från University of Perugia att de kunde påvisa ett direkt brott mot Landauer-principen, [8] men enligt Lazlo Kisch är deras resultat felaktiga eftersom de ignorerar den huvudsakliga källan till energiförlust, nämligen laddningsenergin för kapacitansen för den inkommande elektroden. [9]

2018 bekräftades giltigheten av Landauer-principen på kvantnivå, i experimentet registrerades att när kvantinformationen för kvantdatorns kvantbitar raderas frigörs också värme. [tio]

År 2020 visades det att kvanteffekter kan leda till en ökning av energiförlusten över Landauer-gränsen med en faktor 30. [elva]

Litteratur

Anteckningar

  1. ↑ C. H. Bennet och A. B. Fowler. Rolf W. Landauer 1927-1999.  En biografisk memoarbok . National Academy of Sciences (2009). Hämtad 14 januari 2016. Arkiverad från originalet 3 mars 2016.
  2. ↑ Hybrid rutt från CMOS till nano och molekylär elektronik . CF Cerofolini, D. Mascolo, publicerad i Nanotechnology for electronic materials and devices, ISBN 978-0387-23349-9 , sid 16-18
  3. ↑ Berut, Antoine, et al. « Experimentell verifiering av Landauers princip som kopplar samman information och termodynamik. Arkiverad 28 februari 2015 på Wayback Machine » Nature 483.7388 (2012): 187-189: pdf Arkiverad 4 november 2016 på Wayback Machine « Ur ett tekniskt perspektiv handlar energiförlust per logisk operation i dagens kiselbaserade digitala kretsar ca. en faktor 1 000 större än den slutliga Landauer-gränsen, men förutspås snabbt uppnå den inom de närmaste decennierna »
  4. ↑ Värme, tusentals gånger större än Landauer-gränsen, frigörs under laddnings-urladdningsprocessen för parasitiska RC-kretsar , som bildas av kapacitansen hos grindar och pn-övergångar , och motståndet hos interna ledare och ohmska kontakter hos mikrokretsar.
  5. ↑ Logik och entropi arkiverad 2 juli 2010 vid Wayback Machine Critique av Orly Shenker (2000)
  6. ↑ Eaters of the Lotus: Landauer's Principle and the Return of Maxwell's Demon Arkiverad 8 april 2019 på Wayback Machine , kritiserad av John Norton (april 2004)
  7. ↑ Ladyman et al. Kopplingen mellan logisk och termodynamisk oåterkallelighet Arkiverad 8 april 2019 på Wayback Machine mars 2006, Defense of Principle.
  8. ↑ Beräkningsstudie motbevisar det berömda påståendet att "information är fysisk" . Hämtad 8 april 2019. Arkiverad från originalet 21 oktober 2018.
  9. ↑ (PDF) Kommentarer om "Sub-kBT Micro-Electromechanical Irreversible Logic Gate  " . researchgate. Hämtad 7 juni 2019. Arkiverad från originalet 2 februari 2021.
  10. ↑ Dmitry Trunin. Fysiker har lovat kvantdatorer problem med överhettning . nplus1.ru. Hämtad 22 maj 2019. Arkiverad från originalet 31 maj 2019.
  11. ↑ Harry JD Miller, Giacomo Guarnieri, Mark T. Mitchison och John Goold Quantum Fluctuations Hinder Finite-Time Information Radering nära Landauer Limit // Phys. Varv. Lett. 125, 15 oktober 2020 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.160602

Länkar