One of the major resource requirements of computers - ranging from biological cells to human brains to high-performance (engineered) computers - is the energy used to run them. Those costs of performing a computation have long been a focus of research in physics, going back to the early work of Landauer. One of the most prominent aspects of computers is that they are inherently nonequilibrium systems. However, the early research was done when nonequilibrium statistical physics was in its infancy, which meant the work was formulated in terms of equilibrium statistical physics. Since then there have been major breakthroughs in nonequilibrium statistical physics, which are allowing us to investigate the myriad aspects of the relationship between statistical physics and computation, extending well beyond the issue of how much work is required to erase a bit. In this paper I review some of this recent work on the `stochastic thermodynamics of computation'. After reviewing the salient parts of information theory, computer science theory, and stochastic thermodynamics, I summarize what has been learned about the entropic costs of performing a broad range of computations, extending from bit erasure to loop-free circuits to logically reversible circuits to information ratchets to Turing machines. These results reveal new, challenging engineering problems for how to design computers to have minimal thermodynamic costs. They also allow us to start to combine computer science theory and stochastic thermodynamics at a foundational level, thereby expanding both.


翻译:从生物细胞到人类大脑,到高性能(工程)计算机,计算机的主要资源需求之一是用来运行这些计算机的能源。计算成本长期以来一直是物理学研究的重点,可以追溯到Landauer早期的工作。计算机最突出的一个方面是它们本质上是无平衡的系统。然而,早期的研究是在没有平衡的统计物理处于初级阶段时完成的,这意味着从平衡统计物理学的角度制定工作。自那以后,在无平衡统计物理学方面出现了重大突破,这使得我们得以调查统计物理和计算之间关系的诸多方面,远远超出了需要多少工作才能抹去一点东西的问题。在这份文件中,我审查了最近关于“计算温度感性动力学”的一些工作。在审查了信息理论、计算机科学理论和科学感性热力学的突出部分之后,我总结了在进行广泛计算的过程中所学到的进化成本,从稍小的消化到无循环的机理学,也从这些革命性理论到无循环的电路程成本。在逻辑上,这些革命性机理学上的结果开始到革命性电路。

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