Landauer-elv

A Landauer  -elv Rolf Landauer ( IBM ) [1] által 1961-ben megfogalmazott alapelv , amely kimondja, hogy bármely számítástechnikai rendszerben, függetlenül annak fizikai megvalósításától, 1 bit információvesztés legalább W joule hőmennyiséget szabadít fel :

ahol k B  a Boltzmann állandó , T  a számítógépes rendszer abszolút hőmérséklete kelvinben .

A Shannon-von Neumann-Landauer ( Shannon-von Neumann-Landauer, SNL ) kifejezés az 1 bit feldolgozásához szükséges minimális E bit (vagy a két elektronállapot E SNL elválasztásához szükséges minimális gátmagasság ) [2] :

T = 300 K hőmérsékleten az energia E SNL ≈ 0,017 eV ≈ 2,7 × 10 −21 J.

Annak ellenére, hogy az entrópia növekedése egyetlen bit törlésekor rendkívül kicsi, a modern mikroáramkörökben több milliárd tranzisztor található, amelyek akár több gigahertzes frekvencián kapcsolnak (másodpercenként milliárdszor), ami növeli az információ törléséből származó hőmennyiséget. mérhető értékekre.

A 21. század elején a számítógépek körülbelül egymilliószor több hőt oszlattak szét egyetlen bit feldolgozásakor, mint azt az elv előre jelezte. A 2010-es évek elejére azonban a különbség néhány ezerre csökkent [3] [4] , és a Landauer-határ további közeledését jósolják a következő évtizedekben.

A Landauer-elv által támasztott korlátok megkerülhetők reverzibilis számítások végrehajtásával , ami növeli a memóriaigényt és a számítások számát. Néha azt is javasolják, hogy a visszafordítható számítások lassabbak lesznek.

További ellenőrzés

Annak ellenére, hogy a Landauer-elvet fizikai törvényként ismerik el, ennek ellenére különféle szinteken kísérleti igazolásra van szükség.

Az elv egyetemességét Earman és Norton (1998), majd Schenker (2000) [5] , majd ismét Norton (2004, 2011) [6] bírálta, és P. Bennett (2003) és Ladyman (2007). [7]

2016-ban a Perugia Egyetem kutatói azt állították, hogy sikerült kimutatniuk a Landauer-elv közvetlen megsértését, [8] azonban Lazlo Kisch szerint eredményeik tévesek, mivel figyelmen kívül hagyják az energiaelvonás fő forrását, nevezetesen a a bejövő elektróda kapacitásának töltési energiája. [9]

2018-ban beigazolódott a Landauer-elv kvantumszintű érvényessége, a kísérletben rögzítették, hogy a kvantumszámítógép qubitjeinek kvantuminformációinak törlésekor hő is szabadul fel. [tíz]

2020-ban kimutatták, hogy a kvantumhatások a Landauer-határ feletti energiadisszipáció 30-szoros növekedéséhez vezethetnek. [tizenegy]

Irodalom

Jegyzetek

  1. ↑ C. H. Bennet és A. B. Fowler. Rolf W. Landauer 1927-1999.  Életrajzi emlékirat . Nemzeti Tudományos Akadémia (2009). Letöltve: 2016. január 14. Az eredetiből archiválva : 2016. március 3.
  2. ↑ Hibrid útvonal a CMOS-tól a nano- és molekuláris elektronikáig . CF Cerofolini, D. Mascolo, megjelent: Nanotechnology for electronic materials and devices, ISBN 978-0387-23349-9 , 16-18 oldal
  3. ↑ Berut, Antoine és társai. « Az információt és a termodinamikát összekapcsoló Landauer-elv kísérleti igazolása. Archivált : 2015. február 28. a Wayback Machine -nél » Nature 483.7388 (2012): 187-189: pdf Archivált : 2016. november 4., a Wayback Machine « Technológiai szempontból a jelenlegi szilícium alapú digitális áramkörök logikai műveletenkénti energiadisszipációja kb. 1000-szerese a végső Landauer-határértéknek, de az előrejelzések szerint a következő néhány évtizeden belül gyorsan eléri azt »
  4. ↑ A Landauer-határnál több ezerszer nagyobb hő szabadul fel a parazita RC áramkörök töltés-kisülési folyamata során , amelyeket a kapuk és pn átmenetek kapacitása, valamint a mikroáramkörök belső vezetőinek és ohmos érintkezőinek ellenállása képez.
  5. ↑ Logika és entrópia archiválva 2010. július 2-án, a Wayback Machine kritikájában, Orly Shenker (2000)
  6. ↑ Eaters of the Lotus: Landauer's Principle and the Return of Maxwell's Demon Archiválva 2019. április 8-án a Wayback Machine -nél , bírálta John Norton (2004. április)
  7. ↑ Ladyman et al. A logikai és a termodinamikai visszafordíthatatlanság kapcsolata Archiválva : 2019. április 8., a Wayback Machine 2006. márciusában, az elv védelme.
  8. ↑ A számítástechnikai tanulmány cáfolja azt a híres állítást, hogy „az információ fizikai” . Letöltve: 2019. április 8. Az eredetiből archiválva : 2018. október 21.
  9. ↑ (PDF) Megjegyzések a „Sub-kBT mikroelektromechanikai irreverzibilis logikai kapuhoz  ” . kutatókapu. Letöltve: 2019. június 7. Az eredetiből archiválva : 2021. február 2.
  10. ↑ Dmitrij Trunin. A fizikusok túlmelegedési problémákat ígértek a kvantumszámítógépeknek . nplus1.ru. Letöltve: 2019. május 22. Az eredetiből archiválva : 2019. május 31.
  11. ↑ Harry JD Miller, Giacomo Guarnieri, Mark T. Mitchison és John Goold kvantumingadozásai akadályozzák a véges idejű információtörlést a Landauer-határ közelében // Phys. Fordulat. Lett. 125., 2020. október 15. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.160602

Linkek