El principio de Landauer es un principio físico que pertenece al límite teórico inferior del consumo de energía de la computación . Sostiene que "cualquier manipulación de información lógicamente irreversible , como el borrado de un bit o la fusión de dos rutas de cálculo , debe ir acompañada de un aumento de entropía correspondiente en los grados de libertad que no contienen información del aparato de procesamiento de información o su entorno ". [1]
Otra forma de expresar el principio de Landauer es que si un observador pierde información sobre un sistema físico , el observador pierde la capacidad de extraer trabajo de ese sistema.
Un cálculo denominado lógicamente reversible, en el que no se borra ninguna información, puede realizarse en principio sin liberar calor. Esto ha suscitado un interés considerable en el estudio de la computación reversible . De hecho, sin la computación reversible, los aumentos en el número de cálculos por julio de energía disipada deben detenerse alrededor de 2050, porque el límite que implica el principio de Landauer se alcanzará para entonces, de acuerdo con la ley de Koomey .
A 20 ° C (temperatura ambiente o 293,15 K ), el límite de Landauer representa una energía de aproximadamente 0,0175 eV o 2,805 zJ . En teoría, la memoria de la computadora a temperatura ambiente que opera en el límite de Landauer podría cambiarse a una velocidad de mil millones de bits por segundo (1 Gbit / s) y la energía se convierte en calor en los medios de memoria a una velocidad de solo 2.805 billonésimas de vatio. (es decir, a una tasa de solo 2,805 pJ / s). Las computadoras modernas usan millones de veces más energía por segundo. [2] [3] [4]
Historia
Rolf Landauer propuso por primera vez el principio en 1961 mientras trabajaba en IBM . [5] Justificó y estableció límites importantes a una conjetura anterior de John von Neumann . Por esta razón, a veces se lo denomina simplemente el límite de Landauer o el límite de Landauer.
En 2011, el principio se generalizó para mostrar que, si bien el borrado de información requiere un aumento en la entropía, este aumento podría ocurrir teóricamente sin costo de energía. [6] En cambio, el costo puede tomarse en otra cantidad conservada , como el momento angular .
En un artículo de 2012 publicado en Nature , un equipo de físicos de la École normale supérieure de Lyon , la Universidad de Augsburg y la Universidad de Kaiserslautern describió que por primera vez han medido la pequeña cantidad de calor liberado cuando se extrae un dato individual. borrado. [7]
En 2014, experimentos físicos probaron el principio de Landauer y confirmaron sus predicciones. [8]
En 2016, los investigadores utilizaron una sonda láser para medir la cantidad de disipación de energía que resultaba cuando un bit nanomagnético cambiaba de apagado a encendido. Invertir el bit requirió 26 milielectronvoltios (4,2 zeptojulios ). [9]
Un artículo de 2018 publicado en Nature Physics presenta un borrado Landauer realizado a temperaturas criogénicas ( T = 1 K) en una matriz de imanes moleculares cuánticos de alto giro ( S = 10) . La matriz está hecha para actuar como un registro de espín donde cada nanomaimán codifica un solo bit de información. [10] El experimento ha sentado las bases para la extensión de la validez del principio de Landauer al reino cuántico. Debido a la rápida dinámica y la baja "inercia" de los giros individuales utilizados en el experimento, los investigadores también mostraron cómo se puede realizar una operación de borrado al menor costo termodinámico posible, el impuesto por el principio de Landauer, y a alta velocidad. . [10]
Razón fundamental
El principio de Landauer puede entenderse como una simple consecuencia lógica de la segunda ley de la termodinámica, que establece que la entropía de un sistema aislado no puede disminuir, junto con la definición de temperatura termodinámica . Porque, si el número de posibles estados lógicos de un cálculo disminuyera a medida que avanza el cálculo (irreversibilidad lógica), esto constituiría una disminución prohibida de entropía, a menos que el número de posibles estados físicos correspondientes a cada estado lógico aumentara simultáneamente. por al menos una cantidad compensatoria, de modo que el número total de posibles estados físicos no fuera menor de lo que era originalmente (es decir, la entropía total no ha disminuido).
Sin embargo, un aumento en el número de estados físicos correspondientes a cada estado lógico significa que, para un observador que realiza un seguimiento del estado lógico del sistema pero no del estado físico (por ejemplo, un "observador" que consiste en la computadora misma) , ha aumentado el número de posibles estados físicos; en otras palabras, la entropía ha aumentado desde el punto de vista de este observador.
La entropía máxima de un sistema físico acotado es finita. (Si el principio holográfico es correcto, entonces los sistemas físicos con área de superficie finita tienen una entropía máxima finita; pero independientemente de la verdad del principio holográfico, la teoría cuántica de campos dicta que la entropía de los sistemas con radio y energía finitos es finita debido a la Bekenstein (límite de Bekenstein ). Para evitar alcanzar este máximo en el transcurso de un cálculo extendido, la entropía debe finalmente ser expulsada a un entorno exterior.
Ecuación
El principio de Landauer afirma que se requiere una cantidad mínima de energía posible para borrar un bit de información, conocido como límite de Landauer :
dónde es la constante de Boltzmann (aproximadamente 1,38 × 10 −23 J / K),es la temperatura del disipador de calor en kelvins , yes el logaritmo natural de 2 (aproximadamente 0,69315). Después de configurarigual a la temperatura ambiente 20 ° C (293.15 K), podemos obtener el límite de Landauer de 0.0175 eV (2.805 zJ ) por bit borrado.
La ecuación se puede deducir de la fórmula de entropía de Boltzmann (), teniendo en cuenta que es el número de estados del sistema, que en el caso de un bit es 2, y la entropía Se define como . Entonces, la operación de borrar un solo bit aumenta la entropía de un valor de al menos, emitiendo en el medio ambiente una cantidad de energía igual o superior a .
Desafíos
El principio es ampliamente aceptado como ley física , pero en los últimos años ha sido cuestionado por utilizar un razonamiento circular y supuestos erróneos, en particular en Earman y Norton (1998), y posteriormente en Shenker (2000) [11] y Norton (2004, [ 12] 2011 [13] ), y defendido por Bennett (2003), [1] Ladyman et al. (2007), [14] y por Jordan y Manikandan (2019). [15]
Por otro lado, los avances recientes en la física estadística del no equilibrio han establecido que no existe una relación a priori entre la reversibilidad lógica y termodinámica. [16] Es posible que un proceso físico sea lógicamente reversible pero termodinámicamente irreversible. También es posible que un proceso físico sea lógicamente irreversible pero termodinámicamente reversible. En el mejor de los casos, los beneficios de implementar un cálculo con un sistema lógicamente reversible son matizados. [17]
En 2016, investigadores de la Universidad de Perugia afirmaron haber demostrado una violación del principio de Landauer. [18] Sin embargo, según Laszlo Kish (2016), [19] sus resultados son inválidos porque "descuidan la fuente dominante de disipación de energía, a saber, la energía de carga de la capacitancia del electrodo de entrada".
Ver también
- Teorema de Margolus-Levitin
- El límite de Bremermann
- Atado a Bekenstein
- Complejidad de Kolmogorov
- Entropía en termodinámica y teoría de la información
- Teoría de la información
- Igualdad Jarzynski
- Límites al cálculo
- Tesis de la mente extendida
- Demonio de Maxwell
- Ley de Koomey
Referencias
- ^ a b Charles H. Bennett (2003), "Notas sobre el principio de Landauer, Computación reversible y el demonio de Maxwell" (PDF) , Estudios en historia y filosofía de la física moderna , 34 (3): 501-510, arXiv : física / 0210005 , Bibcode : 2003SHPMP..34..501B , doi : 10.1016 / S1355-2198 (03) 00039-X , S2CID 9648186 , consultado el 18 de febrero de 2015.
- ^ "Blog de Tikalon por Dev Gualtieri" . Tikalon.com . Consultado el 5 de mayo de 2013 .
- ^ Thomas J. Thompson. "Las memorias de nanomagnet se acercan al límite de baja potencia" . bloomfield knoble . Archivado desde el original el 19 de diciembre de 2014 . Consultado el 5 de mayo de 2013 .
- ^ Samuel K. Moore (14 de marzo de 2012). "Límite de Landauer demostrado" . Espectro IEEE . Consultado el 5 de mayo de 2013 .
- ^ Rolf Landauer (1961), "Irreversibilidad y generación de calor en el proceso de computación" (PDF) , IBM Journal of Research and Development , 5 (3): 183-191, doi : 10.1147 / rd.53.0183 , consultado el 18 de febrero de 2015.
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- ^ Antoine Bérut; Artak Arakelyan; Artyom Petrosyan; Sergio Ciliberto; Raoul Dillenschneider; Eric Lutz (8 de marzo de 2012), "Verificación experimental del principio de Landauer que vincula la información y la termodinámica" (PDF) , Nature , 483 (7388): 187-190, arXiv : 1503.06537 , Bibcode : 2012Natur.483..187B , doi : 10.1038 / nature10872 , PMID 22398556 , S2CID 9415026.
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Otras lecturas
- Prokopenko, Mikhail; Lizier, Joseph T. (2014), "Transferir entropía y límites transitorios de cálculo", Scientific Reports , 4 : 5394, Bibcode : 2014NatSR ... 4E5394P , doi : 10.1038 / srep05394 , PMC 4066251 , PMID 24953547
enlaces externos
- Debate público sobre la validez del principio de Landauer (conferencia Hot Topics in Physical Informatics, 12 de noviembre de 2013)
- Artículo introductorio sobre el principio de Landauer y la computación reversible
- Maroney, OJE " Procesamiento de información y entropía termodinámica " La enciclopedia de filosofía de Stanford.
- Eurekalert.org: "La memoria magnética y la lógica podrían lograr la máxima eficiencia energética" , 1 de julio de 2011