Холодильник Эйнштейна

Однако с 1950-х годов, когда количество битов и транзисторов в мире начало стремительно возрастать, а компьютеры стали выдавать заметное количество теплоты, демон Максвелла/Сциларда превратился из научной диковины в технологически и коммерчески значимую вещь. Ученые из исследовательского отдела компьютерного гиганта IBM вспомнили о демоне, когда вопрос о том, имеет ли информация термодинамическую цену, снова вышел на первый план. Подобно тому, как более чем столетие назад Сади Карно осознал, что невозможно в полной мере разобраться в устройстве паровой машины, не изучив, помимо ее конструкции, также лежащие в основе ее работы физические законы, ученые из IBM поняли, что, для того чтобы в полной мере исследовать информацию, необходимо аналогииным образом идеализировать и проанализировать работающие с ней машины.

Двое ученых из IBM, Рольф Ландауэр и Чарльз Беннетт, так описали свою работу: “Мы ищем общие законы, которые должны управлять всей обработкой информации, каким бы образом она ни осуществлялась. Любые обнаруженные нами ограничения должны проистекать исключительно из фундаментальных физических законов, а не из особенностей используемой в настоящий момент технологии”.

Старший из ученых, Рольф Ландауэр, родился в еврейской семье в немецком Штутгарте 4 февраля 1927 года. Его отец Карл, успешный архитектор и строитель, умер в 1934 году от ран, полученных, когда он сражался в рядах немецкой армии на Первой мировой войне. До конца уверенный, что нацисты долго не протянут, в последнем письме Карл попросил свою жену Анну вырастить их сыновей хорошими немцами. Анна, однако, поняла сущность Третьего рейха и уже в начале 1938 года вместе с семьей эмигрировала в Нью-Йорк. На новом месте Рольф добился успехов в учебе и окончил Гарвард в 1945 году. После этого он вступил в ВМС США и прошел подготовку на помощника техника по электронному оборудованию. Ландауэр отметил, что этот практический опыт оказался бесценным для его последующей работы.

Несмотря на блестящий диплом, Ландауэр обнаружил, что многие американские университеты и промышленные лаборатории в начале 1950-х годов неохотно брали на работу евреев. По совету старого друга в 1952 году он устроился в исследовательскую лабораторию IBM, только что открытую на месте бывшего консервного завода в Покипси, в штате Нью-Йорк. Как и руководство AT&T, директор IBM Томас Уотсон — старший призывал исследователей заниматься интересующими их научными проблемами, не обращая внимания на коммерческую ценность изысканий. Кроме того, лаборатория IBM поддерживала тесные связи с университетскими учеными, в том числе из Колумбийского университета.

Ландауэр устроился в IBM в важный момент в истории компьютеров: у него на глазах произошел переход от электронных ламп к транзисторам. Компьютеры, по сути, представляют собой гигантские массивы двухпозиционных переключателей. В первых машинах переключателями служили электронные лампы, но они были энергоемкими, ненадежными и большими — размером примерно с электрическую лампочку. Один из первых компьютеров, ЭНИАК, средства на создание которого выделила армия США, намеревавшаяся использовать его для расчетов баллистических таблиц, занимал 1700 квадратных метров, весил 27 тонн и потреблял 174 кВт электричества. ЭНИАК выделял большое количество теплоты — два вентилятора мощностью по 20 лошадиных сил постоянно обдували его холодным воздухом, чтобы не допустить перегрева.

Транзистор, изобретенный в Лабораториях Белла в 1948 году, также работал в качестве переключателя, но его размер был сравним с горошиной. Кроме того, он потреблял совсем немного энергии и выделял гораздо меньше теплоты, чем электронная лампа. В связи с этим, когда в 1958 году IBM предложила свой первый компьютер на базе транзисторов, оказалось, что он имеет огромные преимущества в сравнении со своим предшественником на базе электронных ламп. Он был быстрее и мощнее, но весил вдвое меньше. Энергопотребление компьютера и его системы охлаждения сократилось более чем на 60 %. В результате инженеры и ученые, работающие в этой сфере, пришли к выводу, что за миниатюризацией — будущее, ведь чем меньше размер транзисторов, тем большее их количество можно разместить на отведенном месте, а это, в свою очередь, способствует повышению вычислительной мощности.

Продемонстрировав удивительную дальновидность, Ландауэр стал изучать, к чему может привести миниатюризация электронных компонентов. В опубликованной в 1961 году статье он написал: “Стремление к созданию более быстрых и компактных компьютерных схем напрямую ведет к вопросу: каковы принципиальные физические ограничения прогресса в этом направлении?”

В 1972 году к Ландауэру в IBM Research присоединился 29-летний Чарльз Беннетт. Он учился на химика, но затем получил в Гарварде докторскую степень за работу, в которой с помощью компьютерных моделей демонстрировал поведение молекул. Вместе с Ландауэром они вычислили конечную термодинамическую стоимость бита.