Нужно ли потреблять энергию для выполнения вычислений?

То, что вы ищете, это принцип Ландауэра . Вы должны быть в состоянии найти много информации о нем теперь, когда вы знаете его имя, но вкратце, есть термодинамический предел, который говорит, что вы должны использовать$k_\mathrm BT \ln 2$джоулей энергии (где$k_\mathrm B$постоянная Больцмана и$T$температура окружающей среды) каждый раз, когда вы стираете один бит памяти компьютера. С небольшой хитростью все остальные операции, которые выполняет компьютер, могут выполняться вообще без использования энергии.

Этот набор приемов называется обратимыми вычислениями . Оказывается, вы можете сделать любое вычисление обратимым, избегая, таким образом, необходимости стирать биты и, следовательно, использовать энергию, но в конечном итоге вам придется хранить в памяти всевозможные ненужные данные, потому что вам не разрешено их стирать. Тем не менее, есть уловки для борьбы с этим, а также. Это довольно хорошо развитая область математической теории, отчасти потому, что на ней строится теория квантовых вычислений.

Энергия, потребляемая при стирании бита, выделяется в виде тепла. Когда вы стираете бит памяти, вы уменьшаете информационную энтропию вашего компьютера на один бит, а для этого вам нужно увеличить термодинамическую энтропию его окружения на один бит, что равно$k_\mathrm B \ln 2$джоулей на кельвин. Самый простой способ сделать это — добавить тепла в окружающую среду, что дает$k_\mathrm BT \ln 2$рисунок выше. (В принципе, в тепле нет ничего особенного, и энтропию окружающей среды также можно увеличить, изменив ее объем или запустив химическую реакцию, но люди почти повсеместно думают о пределе Ландауэра с точки зрения тепла и энергии, а не других вещей. )

Конечно, все это только в теории. Любой практичный компьютер, который мы построили до сих пор, потребляет на много порядков больше энергии, чем предел Ландауэра.

Нужно ли потреблять энергию для выполнения вычислений?

Строго «выступить», может быть, и нет, но чтобы поставить спектакль и измерить его, нужна энергия. Если бы падение объекта можно было приравнять к вычислению силы тяжести, рассмотрите энергию, необходимую для подъема объекта и удерживания его от поверхности, на которую он падает.

Точно так же электрон, вращающийся вокруг нейтрона , выполняет свои собственные вычисления (если хотите), чтобы существовать, но для его создания требуется энергия, и вам потребуется усилие, энергия для наблюдения.

Квантовый компьютер в будущем может стать энергоэффективным, поскольку при достаточном количестве битов (с хорошей точностью) его вычислительная способность намного превзойдет все, что было до него; но энергоэффективность не означает отсутствие энергии.

Солнечная энергия не является «бесплатной», «бесплатный обед» не является бесплатным, вычисления не могут быть «бесплатными» (выполняться без энергии), но в будущем они будут выполняться более эффективно.