Thermodynamics of computing with circuits
Thermodynamics of computing with circuits
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电路计算的热力学
DOI：
10.1088/1367-2630/ab82b8
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发表时间：
2020
影响因子：
3.3
通讯作者：
Kolchinsky, Artemy
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Wolpert, David H.;Kolchinsky, Artemy
数字计算机使用电路来实现计算，许多自然发生的系统（例如基因调控网络）也是如此。任何此类电路的拓扑结构都限制了在电路操作期间哪些变量可以物理耦合。我们研究了对物理耦合的这种限制如何影响运行电路的热力学成本。为此，我们首先计算当我们在电路中运行给定门时产生的最小附加熵产生。然后，我们在此计算的基础上，分析使用包含多个连接门的完整电路实现计算的热力学成本如何取决于该电路的拓扑。该分析提供了一组丰富的新优化问题，如果电路设计者希望最大限度地降低热力学成本，则必须解决这些问题。
Digital computers implement computations using circuits, as do many naturally occurring systems (eg, gene regulatory networks). The topology of any such circuit restricts which variables may be physically coupled during the operation of the circuit. We investigate how such restrictions on the physical coupling affects the thermodynamic costs of running the circuit. To do this we first calculate the minimal additional entropy production that arises when we run a given gate in a circuit. We then build on this calculation, to analyze how the thermodynamic costs of implementing a computation with a full circuit, comprising multiple connected gates, depends on the topology of that circuit. This analysis provides a rich new set of optimization problems that must be addressed by any designer of a circuit, if they wish to minimize thermodynamic costs.
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