При́нцип Ланда́уэра — принцип, сформулированный в 1961 году Рольфом Ландауэром ( IBM ) и гласящий, что в любой вычислительной системе, независимо от её физической реализации, при потере 1 бита информации выделяется теплота в количестве по крайней мере W джоулей :

${\displaystyle W=k_{\mathrm {B} }\,T\,\ln 2,}$

где k _B — константа Больцмана , T — абсолютная температура вычислительной системы в кельвинах .

Выражением Шеннона — фон Неймана — Ландауэра ( Shannon—von Neumann—Landauer, SNL ) называют минимальную энергию E _bit , необходимую для обработки 1 бита (либо — минимальную высоту барьера, необходимую для разделения двух состояний электрона E _SNL ) :

${\displaystyle E_{\mathrm {bit} }>E_{\mathrm {SNL} }=k_{\mathrm {B} }\,T\,\ln 2.}$

При T = 300 K энергия E _SNL ≈ 0,017 эВ ≈ 2,7×10 ⁻²¹ Дж .

Несмотря на то, что увеличение энтропии при стирании одного бита чрезвычайно невелико, современные микросхемы имеют в себе миллиарды транзисторов, переключающихся на частотах до нескольких гигагерц (миллиардов раз в секунду), что увеличивает количество теплоты от стирания информации до измеримых величин.

В начале XXI века компьютеры при обработке одного бита рассеивали примерно в миллион раз больше тепла, чем предсказано принципом. Однако на начало 2010-х разница снизилась до нескольких тысяч , и предсказывается дальнейшее приближение к пределу Ландауэра в течение ближайших десятилетий.

Ограничения накладываемые принципом Ландауэра можно обойти путём реализации обратимых вычислений , при этом возрастают требования к объёму памяти и количеству вычислений. Иногда также высказываются предположения, что обратимые вычисления будут медленнее.

Дальнейшая проверка

Несмотря на то, что принцип Ландауэра признан в качестве физического закона, он до сих пор требует проверки экспериментальным путём на разных уровнях.

Универсальность принципа критиковалась в работах Еармана и Нортона (1998), а затем Шенкера (2000) и снова Нортона (2004, 2011), и защищалась П. Беннетом (2003) и Лэдимэном (2007).

В 2016 году исследователи из Университета Перуджи утверждали, что им удалось продемонстрировать прямое нарушение принципа Ландауэра, но, согласно Лазло Кишу, их результаты ошибочны, поскольку игнорируют главный источник рассеяния энергии, а именно – зарядовую энергию ёмкости входящего электрода.

В 2018 году была подтверждена справедливость принципа Ландауэра на квантовом уровне, в эксперименте было зафиксировано, что при стирании квантовой информации кубитов квантового компьютера также происходит тепловыделение.

В 2020 году было показано, что квантовые эффекты могут привести к увеличению рассеяния энергии по сравнению с пределом Ландауэра в 30 раз.

Литература

• Рольф Ландауэр «Необратимость и выделение тепла в процессе вычислений»,
  • Перевод И. О. Чередникова, А. Г. Холмской, опубликован в «Квантовый компьютер и квантовые вычисления. Том 2», 1999, ISBN 5-7029-0338-2 , стр 9-32;
  • оригинал: Rolf Landauer: « » / IBM Journal of Research and Development, vol. 5, pp. 183–191, 1961.

Примечания

Ссылки

• // Компьютерра : журнал. — 2004. — №  14 (28 апреля).
• Samuel K. Moore. // IEEE Spectrum, 7 Mar 2012