Принцип Ландауэра

При́нцип Ланда́уэра — принцип, сформулированный в 1961 году Рольфом Ландауэром (IBM)[1] 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)[2]:

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

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[3][4], 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.