Холодильник Эйнштейна. Как перепад температур объясняет Вселенную - Пол Сен

Ученый Рольф Ландауэр описал эту идею фразой “информация материальна”. Все формы информации требуют изменений в физической вселенной. При записи слов необходимо делать пометки на каком-то физическом носителе.

Но даже устная речь предполагает движение голосовых связок, от которого вибрируют молекулы воздуха. Подобным образом мысль требует электрохимических изменений в нейронах нашего мозга. В этом отношении информационная энтропия тесно связана с термодинамической энтропией. При разрушении физических систем разрушается и содержащаяся в них информация. Представьте, что вы написали свое имя на песке на пляже. При этом частицы песка выстроились в маловероятную низкоэнтропийную конфигурацию — в узор, имеющий смысл. Когда набегает волна, этот смысл теряется: частицы песка перемешиваются и складываются в более вероятные, но менее осмысленные конфигурации с высокой энтропией.

Как бы мы ни предпочли записывать информацию, непрерывное повышение энтропии, несомненно, сотрет ее, как волна стирает имя, написанное на песке. Предсказание Уильяма Томсона о тепловой смерти Вселенной распространяется на мысли, слова и воспоминания. Всему настанет конец при одной и той же температуре, все будет забыто.

* * *

В июле 1948 года, когда Шеннон опубликовал свою статью, никто не мог представить, с каким размахом будут применяться его идеи. Никто также не спрашивал, можно ли считать общие черты термодинамической и информационной энтропии случайными или же они представляют собой две стороны одного явления.

Все изменило очередное открытие Лабораторий Белла. 30 июня 1948 года, всего за несколько дней до выхода статьи Шеннона, отдел, специализирующийся на “физике твердого тела”, провел пресс-конференцию в Нью-Йорке. В ходе нее ученые представили странное устройство размером с початок кукурузы, из которого торчало три провода. Рядом также стоял его макет в человеческий рост, чтобы приглашенным журналистам было понятнее, как выглядит демонстрируемый объект.

Новейшим изобретением Лабораторий Белла оказался транзистор. По иронии судьбы ни один из вариантов применения транзистора, перечисленных на той важнейшей из технологических презентаций, не показал его самого полезного свойства. Вместо этого инженеры Лабораторий Белла представили транзистор как более компактную и надежную замену электронной лампы, то есть как устройство для усиления аналоговых сигналов. Чтобы продемонстрировать эту функцию, каждому из присутствующих выдали наушники, в которых они слушали усиленные транзистором голоса, обеспечиваемый транзистором радиоэфир и производимый транзистором свист. На конференции почти не говорили о том, что транзистор также может выступать в качестве крошечного энергосберегающего двухпозиционного переключателя. Иными словами, что он прекрасно подходит для работы с вопросами, предполагающими ответы “да” и “нет”, и раскрытия возможностей бита.

Когда это стало очевидно, инженеры сосредоточили усилия на миниатюризации транзисторов, в результате чего размеры транзисторов стали экспоненциально уменьшаться, а их количество — экспоненциально расти. В современных микрочипах используется до 20 млрд транзисторов, которые занимают столько же места, сколько занимал единственный первый транзистор, а это значит, что диаметр каждого отдельного транзистора сегодня составляет около одной миллионной миллиметра. По одной оценке, с момента изобретения технологии до 2014 года было произведено около 3 секстиллионов транзисторов — это число записывается как тройка с 21 нулем. Для сравнения можно сказать, что в галактике Млечный Путь всего 200 миллиардов звезд, а это двойка с 11 нулями. Каждый из этих транзисторов ежесекундно отвечает “да” или “нет” на миллиарды, если не триллионы, вопросов, чтобы мы могли получать нужные сведения, оскорблять друг друга, развлекаться, общаться и совершать любые другие действия с информацией.

В современном мире термодинамическая цена информации определяется электрическими свойствами кремния. Как правило, каждый раз, когда отдельный транзистор переключается, давая ответ да или нет, в окружающей среде рассеивается около 10 миллионмиллионных джоуля теплоты. Это немного. Но представьте, что в одном чипе 10 млн транзисторов переключаются миллиард раз в секунду. Это значит, что чип, площадь поверхности которого равняется одному квадратному сантиметру, вполне может рассеивать по несколько десятков джоулей теплоты в секунду (то есть по несколько десятков ватт). Без охлаждения поверхности чипы станут горячее конфорок на плитах. Еще более удивительно то, что случится, если в ближайшие два-три десятилетия транзисторы продолжат сжиматься в размерах с той же скоростью, с которой сжимались с 1960-х годов. Каждый квадратный сантиметр поверхности чипа, составленного из таких транзисторов, будет отдавать теплоту со скоростью 1000 кВт/с. Это сравнимо со скоростью теплоотдачи выхлопного сопла ракеты и лишь в несколько раз меньше скорости в 6000 кВт/с, с которой теплоту отдает поверхность Солнца.

Разумеется, этого не случится, ведь мы просто не сможем построить системы охлаждения, безопасно отводящие теплоту из наших компьютерных систем. Любой чип с такой высокой плотностью транзисторов расплавится при первом включении. В соответствии с началами термодинамики это значит, что мы недалеки от конца пути, по которому нас вели традиционные кремниевые транзисторы. Неудивительно, что проводится все больше исследований с целью установить, под силу ли нам сократить количество теплоты, которая рассеивается при обработке каждого бита.

Не стоит считать, что производство столь большого количества тепла при обработке информации — это шаг назад. На самом деле все совсем наоборот. В конце концов, обработка битов позволяет нам гораздо более эффективно, чем в доцифровую эпоху, справляться с задачами. Возьмем, например, электронные книги. При распространении таких книг в качестве битов через интернет задействуется гораздо меньше энергии, рассеивается гораздо меньше теплоты и создается гораздо меньше углекислого газа, чем если бы эти книги печатали на бумаге и перевозили на грузовиках, кораблях и самолетах. По прогнозам научно-исследовательского центра The Climate Group, хотя к 2020 году цифровые сектора мировой экономики будут производить около 1,43 млрд тонн двуокиси углерода ежегодно, они также смогут снижать количество углекислого газа, производимого в остальных секторах мировой экономики, на 8 млрд тонн ежегодно, то есть чистое снижение составит более 6 млрд тонн двуокиси углерода в год.

Таким образом, нам необходимо переместить как можно больший объем своей деятельности из физической сферы в цифровую и постараться сделать цифровые машины как можно более эффективными. Но обнаружим ли мы, как произошло в случае с тепловыми двигателями, что термодинамика ограничивает размах наших усовершенствований? Обязательно ли нам тратить теплоту при обработке информации? Можно ли построить машину, которая обрабатывает информацию — и даже думает, — не платя эту цену? Не приближая конец времени?

Чтобы ответить на эти вопросы, ученым пришлось вернуться к мысленному эксперименту, впервые предложенному в 1860-х годах человеком, с которым мы уже встречались несколько глав назад: Джеймсом Клерком Максвеллом.

И они воскресили демона.