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Titolo: Pesa più una chiavetta USB vuota o una chiavetta USB piena?

Ciao Gruppo,
 
mi sono imbattuto casualmente nella questione, a partire da un post di Science Focus (vedi link).
 
 
Naturalmente, per "vuota" si intende una chiavetta appena formattata, presumibilmente piena di zeri, mentre per "piena" una chiavetta riempita di normali files.
 
 
Quello che mi interesserebbe sapere è se si può dare una risposta indipendente dalla tecnologia sottostante, ma basata esclusivamente sui principi primi della Fisica.
 
 
 
grazie per l'attenzione!
 
 
Link:
https://www.sciencefocus.com/future-technology/does-a-usb-drive-get-heavier-as-you-store-more-files-on-it/
 

Bellissima domanda, che presenta molti diversi aspetti a vari livelli.
da questioni di fisica fondamentale a particolarità di struttura dei
moderni dispositivi di memoria e dei sistemi operativi.
 
Non ti aspettare quindi che ti possa dare la risposta: non so se al
mondo esista qualcuno che conosca davvero a fondo *tutti* gli aspetti
che entrano in gioco. (Il che da sé già dà da pensare... - quanti
accenti :-) )
Quindi dovrò limitarmi a un po' d'idee generali e non escludo affatto
di dire anche cose errate. In tal caso spero che qualcuno mi corregga
 
Già quello che scrivi sulla chiavetta appena formattata temo non sia
vero, almeno non in generale. Può dipendere dalla tecnologia, dal
fabbricante, dal file system...
Dico questo sulla base di remoti ricordi e di ciò che ho letto in una
veloce scorsa di alcune informazioni.
 
Partiamo dal livello più alto. Compri una chiavetta (ma vale anche per
un hard disk) nuova di fabbrica: in che stato viene venduta?
Credo non esista uno standard. Forse caso per caso è possibile avere
la risposta. Potrebbe essere che ogni byte venga messo a 00 (hex) ma
anche a FF o altro.
 
E' possibile con opportuni comandi imporre la scrittura su una
determinata prozione di disco di tutti 00?
Risposta: non lo so. Forse in Linux il comando dd lo permette.
Quello che so di sicuro è che dd è un comando pericolosissimo :-)
 
Tutti i sistemi operativi consentono di "formattare" una partizione di
un disco (e quindi - credo - anche di una chiavetta) con un
determinato file system, ma questo in genere non significa affatto che
sul disco venga scritto qualcosa.
Per es. i file system tipo FAT (file allocation table) si limitano a
creare appunto la FAT che contiene lunghezza e aree occupate da
ciascun file.
All'inizio nella FAT verrà scritto che non ci sono files in quella
partizione, con una sfilza di zeri (ho dimenticato i dettagli) nella
FAT. Ma il contenuto reale del disco resterà quello che era, che sia
nuovo o già usato.
In altre parole, un comando di formatting non cancella il contenuto
del disco, ma lo rende inacessibile.
Può darsi che in qualche SO ci sia l'opzione di azzerare tutto il
disco, ma non è probabile visto il tempo che potrebbe richiedere...
 
Tanto meno questo è vero per i comandi di cancellazione di file (rm in
Linux). Il comando si limita a dichiarare nulla la lunghezza del file
e a rendere in qualche modo disponibili le parti di memoria che erano
occupate da quel file.
Anche qui potrebbe esistere un'opzione di cancellazione "hard", ma non
ricordo.
 
E con questo concludo sulla parte software.
Passiamo allo hardware: dato un dispositivo (chiavetta) se scrivo 00
in un byte, che cosa succede fisicamente?
Di nuovo non sono sicuro, perché non sono certo di aver capito bene
quello che ho letto.
 
In una memoria "flash" gli elementi fisici di memoria sono FGT
(floating gate transistors). A farla corta, un floating gate è una
zona conduttrici (metallica? non è detto) isolata dal resto in quanto
circondata da materiale non conduttore.
E' possibile modificare la carica di uno di questi gate "iniettandoci"
elettroni per effetto tunnel, o anche sottraendoli.
Questo accade normalmente quando si legge o scrive la chiavetta.
La carica che ho detto in teoria dovrebbe mantenersi per sempre, ma
nella realtà ci sono processi che la disperdono. Ho letto dati
variabili, da 1 a 100 anni, anche in dipendenza dalla temperatura.
 
Qui nasce una domanda senza risposta: se scrivo 0, il corrispondente
gate sarà carico o scarico? E se carico, con carica positiva o
negativa?
Non so la risposta perché non sono riuscito a estrarla da ciò che ho
letto. Potrebbe darsi che dipenda dalla tecnologia di fabbricazione,
ma non posso dire niente di certo.
 
Apro una parentesi riportando quello che si legge nel sito che citi.
C'è una cosa certamente sbagliata: dice che se quel gate è carico
contiene più elettroni quindi pesa di più (se questo sia un 1 o uno 0,
non lo so: lì c'è scritto che gate carico = 0, ma non sono sicuro che
sia vero).
Perché dico che è comunque sbagliato?
Il ragionamento è che nel gate carico aumenta il peso (la massa) per
l'aggiunta di elettroni). Sia pure, per il momento.
Ma la chiavetta non porta in totale una carica diversa: quando la
collegate al computer da qualcuna delle linee passerà corrente, ma
quella che entra da una linea esce da un'altra.
La chiavetta staccata dal computer sarà comunque neutra (o avrà una
carica superficiale perché è stata strofinata). A parte la parentesi,
il numero di elettroni che contiene non varia: si sono solo spostati da
una parte all'altra del circuito.
 
A questo punto è bene ricordare che la massa m di un elettrone è circa
10^(-30) kg. Teniamo presente questo numero.
Se sul gate ci sono n elettroni in più, la massa aumenta di mn. se
invece gli elettroni diminuiscono, la massa cala.
Però, come ho già detto, quella massa viene o va da qualche altra
parte: la massa della chiavetta non cambia.
 
Però... scommetto che ci avete già pensato :)
 
Se il gate coi conduttori adiacenti forma un condensatore di capacità
C, dargli una carica ne (di qualunque segno) aumenta l'energia di
(ne)^2/(2C) e quindi la massa di (ne)^2/(2 c^2 C).
Facciamo il conto per n=1, assumendo C=1 pF (non so se sia giusto, ma
credo che possa esser di più, non di meno).
 
DM = e^2/(2 c^2 C) = 1.4x10^(-43) g.
 
Molto piccola, però se gli elettroni sono n questa va come n^2.
Non ho idea di quanti siano gli elettroni, ma potrei azzardare
un'altra strada: ipotizzare il potenziale V a cui verrà portato il
gate.
 
Visto che bisogna distinguere il gate carico da quello scarico, V non
può essere tanto piccolo. Supponiamo V = 1 volt.
La variazione di energia è C V^2/2 quindi la variazione di massa
 
DM = C V^2/(2 c^2) = 5.6x10^(-30) kg
 
Notate che è sempre DM>0.
Quindi ogni gate carico aumenta la massa della chiavetta di DM.
-- 
Elio Fabri

 
https://www.sciencefocus.com/future-technology/does-a-usb-drive-get-heavier-as-you-store-more-files-on-it/
 
 
Non so molto su come funzioni una memoria flash, ma
francamente il ragionamento a quella pagina mi sembra
assai semplicistico. Mi aspetto che la carica elettrica di
una chiavetta sia globalmente nulla, e che se per caso non
lo e` lo diventi presto interagendo con l'ambiente.
Il numero totale di elettroni non dovrebbe cambiare.
Una differenza di massa puo` essere giustificata da
considerazioni energetiche, ma e` un ragionamento
diverso.
 
Ciao
Paolo Russo

 
 
 
-- 
1) Resistere, resistere, resistere.
2) Se tutti pagano le tasse, le tasse le pagano tutti
Soviet_Mario - (aka Gatto_Vizzato)

 Elio Fabri
 
ciao,
Michele

 Quindi ogni gate carico aumenta la massa della chiavetta di DM.
 
La cosa interessante è che per una chiavetta da 1TB ~ 10^{13} bit la 
varizione di massa sarebbe ~ 10^{-16} kg corrispondente ad una 
variazione di peso ~ 1 fN. Con sensibilità dei microscopi a forza 
atomica dell' ordine di 0.1pN ed ipotizzando che la legge di Moore 
continui a valere per i dispositivi usb, tra una decina di anni saremmo 
a valori misurabili (in linea puramente teorica).
 
Giorgio

 Problema: ma l'entropia di Shannon può essere usata nel Primo Principio delle Termodinamica??
 
Tocchi un punto delicato nell' uso disinvolto dell'entropia nella fisica 
contemporanea. Sicuramente ci sono sistemi fisici tali che la 
probabilità dei microstati non dipende dall'energia. E anche per un 
sistema hamiltoniano, il teorema di Louville richiede solo che gli stati 
di equilibrio abbiano una distribuzione di probabilità funzione 
dell'energia.
 
La mia risposta è che avere un'"entropia" non autorizza automaticamente 
a parlare di termodinamica né di avere un "primo principio". Almeno non 
nella forma ususale.
 
Giorgio

Giorgio Pastore ha scritto:
 > Solo se usato senza sapere cosa si sta facendo, come peraltro tutti i
 > comandi che modificano un disco.
In linea di principio hai ragione, ma so che a me (che non so
moltissime cose di Linux) scoprire il comando dd ha fatto paura.
E' vero che per es. intervenire sulle partizioni con comandi come il
vecchio fdisk o le versioni più recenti può provocare disastri, ma è
più lontano il rischio dell'errore, per es. perchè prima di scrivere
la partition table sul disco viene chiesta conferma.
Con dd invece basta che ti scappi una lettera invece di un'altra in
of=... e sei fritto.
Come forse immagini, l'ho usato solo per creare una chiavetta bootable
da un'immagine iso di un SO.
 
Scusate l'OT. Torno al tema centrale.
 > La cosa interessante è che per una chiavetta da 1TB ~ 10^{13} bit la
 > varizione di massa sarebbe ~ 10^{-16} kg corrispondente ad una
 > variazione di peso ~ 1 fN. Con sensibilità dei microscopi a forza
 > atomica dell' ordine di 0.1pN ed ipotizzando che la legge di Moore
 > continui a valere per i dispositivi usb, tra una decina di anni
 > saremmo a valori misurabili (in linea puramente teorica).
Questo conferma quanto dicevo all'inizio, che la domanda implica
parecchi aspetti diversi.
Avrei però un dubbio: la sensibilità di 0.1pN entro quale limite di
peso vale?
-- 
Elio Fabri

 Giorgio
 
ciao

 Perchè non potrebbe essere la stessa cosa anche per l'entropia di Shannon?
 
Infatti si fa anche con l'entropia di Shannon. Solo che se le p(i) non 
dipendono da un'energia tutte le implicazioni energetiche cascano. E 
parlare di energia (termodinamica) e calore diventa un uso improprio dei 
termini.
 
In generale, la maggior parte delle difficoltà in questo ambito nascono 
dal trascurare l'importanza del requisito di "limite termodinamico" per 
ritrovare la termodinamica classica dalla meccanica statistica. 
Fuorviati dagli esempi "banali" a base di gas perfetti, tendiamo a 
pensare che il comportamente termodinamico corretto sia presente per 
qualsiasi taglia del sistema. Non è così. Purtroppo o per fortuna.
 
Giorgio

 Giorgio
 
ciao, e grazie per la discussione
 


Per entrare nel merito, è forse necessario citare un costrutto teorico che Vopson ha proposto nel 2019, chiamato principio di equivalenza massa-energia-informazione. 
 
Il lavoro è ispirato alla ricerca del fisico Rolf Landauer che, nel 1961, propose per primo un collegamento tra termodinamica ed informazione, postulando che l’irreversibilità logica di un processo computazionale implica l’irreversibilità fisica. 
 
 
Poiché i processi irreversibili sono dissipativi, risulta che l’irreversibilità logica è anche un processo dissipativo e, per estrapolazione, l’informazione è fisica.
 
 
Distruggere un bit di informazioni richiede una dissipazione di energia e, analogamente, a causa della legge di conservazione dell’energia, è necessario un input di energia dello stesso valore per creare un bit di informazione. 
 
 
 
 
 
Se consideriamo la chiavetta USB come un sistema fisico isolato, l’entropia totale del nostro sistema dispositivo di memoria è costituita dall’entropia fisica, relativa agli stati privi di informazione, e dall’entropia informativa, caratteristica degli stati portatori di informazione. L’esecuzione di un’operazione logica irreversibile come una cancellazione, porta il sistema a diminuire la seconda ma ad aumentare la prima, perché la seconda legge della termodinamica afferma che la variazione di entropia totale non può diminuire nel tempo. 
Tale cambiamento, si manifesta attraverso una dissipazione di energia termica.
 
 
Questo principio, dimostrato sperimentalmente, ha condotto Vopson ad ipotizzare che un bit di informazione digitale ha una massa finita e quantificabile. 
 
 
Con un po’ di calcoli, «la massa di un bit di informazione a temperatura ambiente è 3,19 × 10-38 Kg». Per un dispositivo da 1 TB la variazione di massa stimata è di 2,5 × 10-25 kg». Questo aumento teorico di massa è probabilmente misurabile.

 non è possibile affermare che aumenta anche l'energia E,e  quindi la massa.
 
Anche perché resta mal definita quale è l'entropia che aumenta.
 
In ogni caso io sospenderi il giudizio su quello che succede finché non 
si chiarisce di quale entropia si sta parlando. Si possono introdurre 
delle entropie (plurale) per sistemi finiti, ma queste non hanno nessun 
obbligo di coincidere con l'entropia (singolare) termodinamica.
 
Giorgio

 Con un po’ di calcoli, «la massa di un bit di informazione a temperatura ambiente è 3,19 × 10-38 Kg». Per un dispositivo da 1 TB la variazione di massa stimata è di 2,5 × 10-25 kg». Questo aumento teorico di massa è probabilmente misurabile.
 
Con questi ordini di grandezza,  la vedo difficile.
 
 
Giorgio

 avere <m_i>=M diverso da zero.
 
Dimenticavo la condizione importante: **a campo magnetico esterno nullo**

Giorgio Pastore ha scritto:
 > Giustificare per bene ogni parola della frase precedente
 > richiederebbe uno sforzo non da poco e, a mia conoscenza, nessuno si
 > è premurato di farlo finora. La sensazione di restare nell'
 > "handwaving" resta molto forte. Poi ci si può anche prendere. O si
 > possono fare scivoloni...
In effetti...
Sono andato a leggere l'articolo di Vopson ma mi sono fermato subito,
perché ci sono un sacco di cose che non capisco.
 
Esempio:
"A computational process creates digital information via some sort of
physical process"
Io già non capisco come un calcolo possa creare informazione.
So benissimo che da un po' di tempo a questa parte un sacco di fisici
riempiono i loro scritti di "informazione" in tutte le salse, senza
mai definire ciò di cui parlano.
Mi sembra anzi che quella parola se significa qualcosa non abbis
niente a che vedere con quella di Shannon.
Ma se non si sa di che informazione si sta parlando, come si fa a
connetterla con qualsiasi entropia?
 
Altro esempio la fig. 1, dove ci sono tre esempi di "erase":
- mettere tutti i bit a 0
- mettere tutti i bit a 1
- mettere tutti i bit in "neither 0, nor 1 state".
Quest'ultima l'autore la chiama "true erase operation".
Nel testo fa l'esempio di una memoria magnetica e secondo lui il vero
"erase" significherebbe portare tutti i bit in uno stato di "total
demagnetization" in modo che non si possa identificare né un 1 né uno
0.
Che provasse a dirlo a un ingegnere elettronico...
-- 
Elio Fabri

 Che provasse a dirlo a un ingegnere elettronico...
 
Che direbbe cosa ?

 Quello che so di sicuro è che dd è un comando pericolosissimo :-)
 
La potenza assoluta e' carica del fardello della totale
responsabilita' ;-)
 
Se sbaglio il comando "dd" non ci sono scuse (ho fatto prima
un diligente backup ?)

Il 16/09/21 22:13, Roberto Deboni DMIsr ha scritto:

e cmq per usare dd e altri, serve avere scalato i privilegi 
di root con su/sudo, che malneva il sistema dalla 
responsabilità delle cazzate fatte
:D


 Che direbbe cosa ?
 
 


 valori negativi (o solo positivi), zero incluso. 
 
Scusa, non capisco bene il tuo ragionamento sui "segni", ma il condensatore è un ottimo modello di memoria binaria,
e forse ci permette di chiarirci le idee.
 
Se assumiamo come 1 il condensatore carico (q!=0), e come 0  il condesatore scarico (q=0),
quello che possiamo dire di sicuro è che l'energia necessaria per caricarlo è q^2/2C, ed è l'energia che
ci ritroviamo come campo elettrico nello spazio tra le piastre. 
 
Un condensatore carico quindi pesa di più di uno scarico.
 
Dato che i condensatori non interagiscono tra di loro,
l'energia di una rete di condensatori  dipende solo dal numero  di condensatori carichi,
ed è massima quando sono tutti carichi {11111 ....}, e minima quando sono tutti scarichi {0000....},
con valori intermedi nelle altre disposizioni {100100111 ...}. 
 
Tutto sta ora a capire cosa significa memoria "vuota" e memoria "piena" . Secondo me,  questo è il punto
dove interviene  il concetto di entropia in senso informatico: per definire il "vuoto" e il "pieno" non possiamo riferirci
al numero di bit accessi (e quindi all'energia), ma all'informazione estraibile da esso.
 
Una soluzione è proprio la definizione di Kolmogorov:  di quanto si "accorcia" la stringa se la comprimo? Chiamerò "vuoto" il file che
si comprime di più, e "pieno" quello che si comprime di meno. In questo modo avremo due possibili vuoti:   {11111 ....} e {0000....}, entrambi
ad entropia minima, perchè massimamente comprimibili.
 
Se assumiamo come "vuoto" la configurazione  {000000 ...}, non appena riempiamo il filesistem con "qualcosa", necessariamente aumenterà 
 
l'energia (e anche l'entropia). Se anche  la "formattazione" introducesse  qualche sporadico "1" , qua e là, come segnaposto nel filesystem, questo non cambierebbe granchè il ragionamento: il vuoto avrebbe comunque l'entropia minore.
 
Un  tale dispositivo a condensatori pesa , quindi, più da "pieno" che da "vuoto" .
 
Se, al contrario, assumiamo come "pieno"  la configurazione  {11111 ....}, succede l'esatto contrario: i dispositivo diventa più leggereo scrivendoci sopra.
 
Anche in questo semplice modello, quindi, non è automatico che a maggiore entropia corrisponda un maggior peso: bisogna anche stabilire 
con quale convenzione è stato formattato.
 
ciao,
michele

 
 
 


 Che direbbe cosa ?
 
Che nell'elettronica digitale non si fanno calcoli con elementi in stato 
indefinito o, peggio, intermedio tra 0 e 1. Di fatto la mitica 
"cancellazione" è sempre un operazione di scrittura. Ed è la scrittura 
senza salvataggio dello stato precedente che è il processo 
"irreversibile". Ma questo è un punto su cui spesso si leggono 
affermazioni strane.
 
In generale, il problema non è che non si possa partire da definizioni 
pulite di informazione e trarne conseguenze fisiche. Piuttosto che molto 
di quello che si scrive in fisica sull' informazione è scritto in modo 
sciatto, a volte giocando sull'ambivalenza di alcuni termini e senza 
curare nessi logici e coerenza complessiva.
 
Giorgio