Hack Landauer
1961 formulierte Rolf Landauer in seinem Artikel „Irreversibilität und Wärmeerzeugung im Rechenprozess“ das Prinzip, dass in jedem Computersystem unabhängig von seiner physischen Implementierung beim Verlust von 1 Bit Informationswärme Wärme in einer Menge von mindestens W = freigesetzt wird k B T ln2 , wobei k B die Boltzmann-Konstante und T die Temperatur des Computersystems in Kelvin ist.Das heißt, wenn die Berechnung bei Raumtemperatur (300 K) durchgeführt wird, kann das Computersystem bei Verlust von 1 Datenbit nur etwa 2,7 × 10 –21 J in den umgebenden Raum streuen .Es wird angenommen, dass der einzige Weg, um diese Einschränkung zu überwinden, die Verwendung der sogenannten reversiblen Berechnungen ist . In diesem Artikel werde ich beweisen, dass das Landauer-Prinzip kein Dogma ist und dass die Überwindung der von ihm festgelegten Barriere auch ohne reversible Berechnungen möglich ist.Woher kam die Einschränkung?
Der Schlüssel zum Verständnis dessen, was das Landauer-Prinzip impliziert, liegt in der Formulierung " Ein einfaches binäres Gerät besteht aus einem Teilchen in einer bistabilen Potentialwanne " (das einfachste binäre Gerät besteht aus einem Teilchen in einer bistabilen Potentialwanne):Um das System vom Zustand „0“ in den Zustand „1“ (oder umgekehrt) umzuschalten, müssen wir:1. dem Partikel genügend Energie geben, um die Barriere zu überwinden.2. Dem Partikel Energie entziehen, damit das Partikel an einer neuen Position fixiert wird.Wenn wir reversible Berechnungen verwenden, wird die ausgewählte Energie auf das nächste Element in der Berechnungskette übertragen. Wenn unsere Berechnungen jedoch irreversibel sind, müssen wir die überschüssige Energie in Form weiterer nicht genutzter Wärme in den umgebenden Raum ableiten.Wir überwinden die Einschränkung
Wir gehen von der Tatsache aus, dass alle obigen Argumente richtig sind (die Gemeinde hat seit 1961 genug Zeit, um alle theoretischen Berechnungen zu überprüfen), und als Ergebnis gilt die Formel W = k B T ln2 für den Fall einer zwei stabilen Potentialwanne .Um diese Einschränkung zu überwinden, wenden wir anstelle eines binären Datencodierungssystems ein vierstelliges an. Dementsprechend ändert sich das Gerätediagramm:Um den Zustand zu wechseln, müssen wir immer noch die Teilchenenergie geben, um die Barriere zu überwinden, und wie zuvor sollte bei irreversiblen Berechnungen die überschüssige Energie in Form von Wärme abgeführt werden. Erst jetzt wird die Energie W nicht für ein Datenbit, sondern für zwei ausgegeben. Wenn die Formel in ein Bit konvertiert wird, sieht sie nun folgendermaßen aus:W = k B T ln2 / 2
Landauers Barriere wurde genau zweimal reduziert. Wenn nicht 4 potenzielle Löcher im System gemacht werden, sondern 8, wird die Menge der verbrauchten Energie zu W = k B T ln2 / 3. Im Extremfall, wenn die Anzahl der potenziellen Löcher ins Unendliche steigt (ich kann mir nicht vorstellen, wie dies in der Praxis umgesetzt werden kann , aber theoretisch hat dies ein Existenzrecht) Landauer Barriere tendiert gegen Null.Fazit
Bisher wurde das Landauer-Prinzip als unüberwindbare grundlegende Einschränkung für die Erhöhung der Rechenleistung angesehen, es stellte sich jedoch heraus, dass es eine Folge der Wahl einer Computersystemarchitektur ist. Separate Codierung von Datenbits durch Systemelemente.UPD (notwendige Klarstellung, danke Pshir ): Bitte beachten Sie diese Kette von Kommentaren: dies → dies → dies und das . Source: https://habr.com/ru/post/de398881/
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