Teoretycznie, czy możliwe jest stworzenie bramki logicznej wykorzystującej prąd zerowy?

18

CMOS znacznie zmniejsza pobór prądu układów scalonych, ponieważ jeden z komplementarnych tranzystorów polowych jest zawsze w trybie nieprzewodzącym, więc podczas przejścia między stanami występuje tylko przepływ prądu, który jest tylko ilością ładunku na równoważnej pojemności bramki i może jakiś wyciek, gdy obie bramy są chwilowo otwarte.

Czy teoretycznie możliwe jest wykonanie bramki logicznej, która ma zerowy przeciek podczas zmiany stanów (przy użyciu dowolnej realistycznej technologii), a sygnał jest właśnie przepuszczany przez obwód jako zmiany napięcia powodujące inne zmiany napięcia? Jeśli nie, jakie jest teoretyczne minimum?

current  cmos  energy  theory 
— endolit
źródło
— endolit

Odpowiedzi:

8

Nie jest możliwe stworzenie elektronicznej bramki logicznej, która działa nawet wtedy, gdy jej prąd wynosi zawsze zero.

Możliwe jest jednak ustawienie elektronicznych bramek logicznych CMOS w taki sposób, że energia zgromadzona pojemnościowo na bramkach tranzystorowych jest później zwracana do zasilacza, więc wykorzystuje prawie zerową moc netto. Gdy system zostanie zasilony i wszystkie kondensatory obejściowe zostaną w pełni naładowane, bramki logiczne mogą wykonać dowolnie dużą ilość obliczeń, jednocześnie pobierając prawie zerowy prąd z akumulatora. Takie układy są często nazywane obliczeniami nieniszczącymi.

Ponadto istnieje wiele sposobów budowania logicznie równoważnych struktur obliczeniowych bez żadnych urządzeń elektronicznych. Takie nieelektroniczne bramki logiczne naturalnie wykorzystują prąd zerowy, chociaż prawie wszystkie z nich wymagają znacznie większej mocy do działania niż ich logicznie równoważne elektroniczne bramki logiczne.

obliczenia nieelektroniczne

Niektóre nieelektroniczne bramki logiczne wymieniono w artykule „Dziesięć najdziwniejszych komputerów” .

Kilka innych nieelektronicznych bramek logicznych, które najwyraźniej nie są wystarczająco dziwne, aby ten artykuł:

David Cary zaprojektował procesor zbudowany w całości z zaworów hydraulicznych i wciąż zastanawia się, czy zasilić urządzenie tradycyjnym ciśnieniem oleju hydraulicznego, ciśnieniem wody czy powietrzem.

W płynowe logiczne bram nie mają ruchomych części, jeśli nie liczyć przenoszenie płynu przez nich jako „części”.

(Czy istnieje artykuł na Wikipedii lub innej wiki z listą sposobów na wdrożenie abstrakcyjnej koncepcji „bramki logicznej”?)

informatyka nieniszcząca

Obliczenia nieniszczące, zwane także obliczeniami odwracalnymi, logiką odzyskiwania ładunku lub logiką adiabatyczną, obejmują bramy, które zużywają prawie zerową moc.

Kiedy system obliczeniowy usuwa trochę informacji, musi rozproszyć teoretyczną minimalną energię kTnn (2) - granicę von Neumanna-Landauera - gdzie k jest stałą Boltzmanna, a T jest temperaturą.

Większość bramek logicznych usuwa trochę informacji dla każdej operacji logicznej. Istnieje jednak kilka bramek logicznych, które zachowują każdy kawałek. Teoretycznie te nieniszczące bramki logiczne mogłyby zużywać znacznie mniej energii niż teoretyczna minimalna moc bramek logicznych niszczących bity.

„Reversible Logic” Ralpha C. Merkle'a w Zyvex

RevComp - The Reversible and Quantum Computing Research Group ma kilka fajnych zdjęć z ich odwracalnego procesora.

— Davidcary
źródło
Logika adiabatyczna to właściwie to, czego szukałem. Coś do poprawienia / obejścia niedoskonałości CMOS.
— endolith,
Chociaż nadal chciałbym znać możliwie najmniejszą ilość energii teoretycznie niezbędną do przetwarzania informacji.
— endolith
2
Wszystkie architektury komputerów naprzemiennie przechowują bity w jednym miejscu, potokują przechowywane bity przez pewną kombinacyjną logikę, taką jak ALU, a następnie przechowują bity wynikowe w innym miejscu. Przechowywanie bitów wymaga teoretycznego minimum kT ln (2). Wydaje się, że toczy się debata na temat tego, czy dolna granica logiki kombinacyjnej jest faktycznie zerowa, czy tylko niewielka w porównaniu z kT ln (2) - lub innymi słowy, czy teoretyczna maksymalna ilość logicznych operacji kombinacyjnych może być wykonana z dana ilość energii jest nieskończona lub skończona. Zobacz cise.ufl.edu/research/revcomp .
— davidcary,
1
Czy odwracalny komputer może być kompletnym urządzeniem Turinga, który jest w stanie rozwiązać każdy problem z ograniczoną funkcją ilości pamięci wymaganej dla nieodwracalnej maszyny Turinga?
— supercat,
1
@endolith: Tak, dzisiaj bramy używają znacznie więcej niż kT ln (2) - zarówno niszczące, jak i nieniszczące bramy CMOS. Jeśli jednak utrzymają się obecne trendy , energia zużywana przez nieniszczące bramki CMOS spadnie poniżej kT ln (2) około 2025 r. Bramki niszczące, czy to CMOS, czy cokolwiek innego, nie mogą zużyć mniej niż teoretyczne minimum kT ln (2).
— davidcary
10

Tak. Możesz stworzyć bramkę, która przełącza się na zerowy prąd, jeśli nie masz nic przeciwko czekaniu przez nieskończoną ilość czasu;) Ponieważ prąd zmienia się wraz z upływem czasu, ponieważ zmiana czasu zmierza do nieskończoności, prąd zmienia się na zero. Uruchom logikę tak wolno, jak to możliwe, spełniając inne specyfikacje systemu.

Twoim zadaniem domowym na dziś wieczór jest przeczytanie rozdziału „Termodynamika obliczeń” z „Wykładów Feynmana na temat obliczeń”;)

— jluciani
źródło
och, Feynman Też powinienem to przeczytać!
— stuckie27
1
Mogłem to przeczytać dawno temu. Czy to esej mówiący o obliczeniach odwracalnych?
— endolith
3
To jest to.
— jluciani
6

Nie, nie jest to możliwe.

Pojemność bramki jest funkcją geometrii tranzystora i właściwości materiałów tranzystora. Zawsze będzie pojemność. Aby zminimalizować pojemność, zawsze nastąpi kompromis między prędkością tranzystora, przebiciem napięcia, wzmocnieniem i innymi właściwościami urządzenia.

Nie tylko to, ale aby użyć wyjścia bramki, tranzystor musi napędzać dowolną pojemność wyjściową. Ponownie, pojemność wyjściowa jest funkcją geometrii drutu i właściwości otaczających materiałów.

Istnieją również inne efekty wycieku. Przez spust i źródło dowolnego tranzystora w stanie wyłączonym, a nawet trochę prądu upływowego do bramki. Podczas gdy te efekty są w przeważającej części nieistotne w rzeczywistych częściach krzemowych, natrafisz na nie prędzej czy później w poszukiwaniu bramy o zerowym prądzie.

— Clint Lawrence
źródło
Nie powiedziałem, że musi używać tranzystorów.
— endolith,
5
Może nie, ale wspomniałeś o nich i oznaczyłeś pytanie CMOS. Wydawało się to rozsądnym założeniem.
— Clint Lawrence
1
Wspomniałem o tym jako przykład nowej technologii, która znacznie zmniejszyła bieżące zużycie. Zastanawiam się, czy teoretycznie jest coś lepszego.
— endolith,
Innymi słowy, czy możliwe jest zmierzenie napięcia na przewodzie bez pobierania z niego prądu? Czy teoretycznie możliwe jest wykonanie urządzenia przełączającego, które nie ma pojemności wejściowej? Czy można zmierzyć ciśnienie w rurze bez wypuszczania wody?
— endolith
1
> Czy można zmierzyć ciśnienie w rurze bez wypuszczania wody? Tak. Wystarczy zainstalować gumowe membrany na obu końcach. Ale nie można tego zrobić bez przeniesienia wody, a poruszająca się woda traci energię do rurki. :)
— jpc
Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.