Теоретически, возможно ли сделать логические вентили, которые используют нулевой ток?

18

CMOS значительно уменьшает потребление тока микросхемами, потому что один из дополнительных полевых транзисторов всегда находится в непроводящем режиме, поэтому при переходе между состояниями существует только поток тока, который является просто величиной заряда на эквивалентной емкости затвора и возможно, какая-то утечка, когда оба врата на мгновение открыты.

Возможно ли теоретически сделать логический вентиль, который имеет нулевую утечку при изменении состояния (используя любую реалистичную технологию), и сигнал просто передается через цепь в виде изменений напряжения, вызывающих другие изменения напряжения? Если нет, каков теоретический минимум?

эндолиты
источник
Соответствующая физика.stackexchange.com
questions/

Ответы:

8

Невозможно создать электронный логический элемент, который функционирует, даже если его ток всегда равен нулю.

Тем не менее, можно расположить электронные логические вентили CMOS таким образом, чтобы энергия, накопленная на транзисторных затворах, впоследствии возвращалась к источнику питания, поэтому она использует практически нулевую полезную мощность. Как только система включена и все перепускные конденсаторы полностью заряжены, эти логические элементы могут выполнять произвольно большое количество вычислений, в то же время потребляя практически нулевой ток от батареи. Такие устройства часто называют неразрушающими вычислениями.

Также есть много способов построить логически эквивалентные вычислительные структуры без каких-либо электронных устройств. Такие неэлектронные логические вентили, естественно, используют нулевой ток, хотя почти всем им требуется гораздо больше энергии для работы, чем их логически эквивалентным электронным логическим элементам.

не электронные вычисления

Некоторые неэлектронные логические элементы перечислены в статье «Десять страннейших компьютеров» .

Еще несколько неэлектронных логических элементов, которые, по-видимому, не настолько странны, чтобы сделать эту статью:

Дэвид Кэри (David Cary) разработал ЦП, который будет построен полностью из золотниковых клапанов, и до сих пор размышляет над тем, чтобы питать его традиционным давлением гидравлического масла, давлением воды или воздуха.

Нет В жидкостных логических воротах не имеют подвижные части, если не считать перемещение жидкости через них как «часть».

(Есть ли статья в Википедии или какой-то другой вики со списком способов реализации абстрактной концепции «логических ворот»?)

неразрушающие вычисления

Неразрушающие вычисления, также называемые обратимыми вычислениями, логикой восстановления заряда или адиабатической логикой, включают затворы, которые используют практически нулевую мощность.

Когда вычислительная система стирает немного информации, она должна рассеивать теоретическую минимальную энергию kT ln (2) - предел фон Неймана-Ландауэра - где k - постоянная Больцмана, а T - температура.

Большинство логических вентилей стирают немного информации для каждой логической операции. Однако есть несколько логических элементов, которые сохраняют каждый бит. Теоретически эти неразрушающие логические элементы могут использовать гораздо меньшую мощность, чем теоретическая минимальная мощность элементов побитовой логики.

"Обратимая логика" Ральфа Меркла в Zyvex

RevComp - Исследовательская группа по обратимым и квантовым вычислениям имеет несколько хороших фотографий своего обратимого процессора.

davidcary
источник
Адиабатическая логика - это почти то, что я искал. Что-то, чтобы улучшить / обойти недостатки CMOS.
эндолит
Хотя я все еще хотел бы знать минимально возможное количество энергии, теоретически необходимое для обработки информации.
эндолит
2
Все компьютерные архитектуры чередуются между хранением битов в одном месте, передачей сохраненных битов через некоторую комбинационную логику, такую ​​как ALU, и последующим сохранением битов результата в другом месте. Хранение бита требует теоретического минимума kT ln (2). Похоже, ведутся споры по поводу того, является ли нижний предел комбинационной логики фактически нулевым или просто небольшим по сравнению с kT ln (2) - или другими словами, по поводу того, можно ли сделать теоретический максимальный объем комбинационных логических операций с данное количество энергии бесконечно или конечно. См. Cise.ufl.edu/research/revcomp .
Дэвидкари
1
Может ли обратимый компьютер быть полным по Тьюрингу, способным решить любую проблему с ограниченной функцией объема памяти, которая потребуется для необратимой машины Тьюринга>?
суперкат
1
@endolith: Да, сегодня ворота используют гораздо больше, чем kT ln (2) - как разрушающие, так и неразрушающие КМОП-ворота. Однако, если текущие тенденции сохранятся , энергия, используемая неразрушающими затворами КМОП, упадет ниже kT ln (2) около 2025 года. Деструктивные затворы, будь то КМОП или что-либо еще, не могут использовать меньше теоретического минимума kT ln (2).
Дэвидкари
10

Да. Вы можете сделать затвор, который переключается с нулевым током, если вы не против подождать бесконечное количество времени;) Поскольку ток - это изменение заряда с течением времени, так как изменение времени уходит в бесконечность, ток уходит в ноль. Выполняйте свою логику как можно медленнее, соблюдая спецификации других систем.

Ваше домашнее задание на вечер - прочитать главу «Термодинамика вычислений» из «Лекций Фейнмана по вычислениям»;)

jluciani
источник
о, Фейнман, я тоже должен это прочитать!
stuckie27
1
Возможно, я прочитал это давным-давно. Это эссе о обратимых вычислениях?
эндолит
3
Это тот самый.
jluciani
6

Нет, это невозможно.

Емкость затвора является функцией геометрии транзистора и свойств материалов транзистора. Там всегда будет емкость. В целях минимизации емкости всегда будет существовать компромисс между скоростью транзистора, падением напряжения, коэффициентом усиления и другими свойствами устройства.

Мало того, но для того, чтобы использовать выход затвора, транзистор должен управлять любой выходной емкостью. Опять же, выходная емкость является функцией геометрии провода и свойств окружающих материалов.

Есть и другие эффекты утечки. Через сток и исток любого транзистора в выключенном состоянии и даже некоторый ток утечки в затвор. Хотя эти эффекты по большей части незначительны в реальных кремниевых частях, вы рано или поздно столкнетесь с ними в своем стремлении к затвору нулевого тока.

Клинт Лоуренс
источник
Я не говорил, что нужно использовать транзисторы.
эндолит
5
Возможно нет, но вы упомянули их и отметили вопрос CMOS. Так что это казалось разумным предположением.
Клинт Лоуренс
1
Я упомянул это как пример новой технологии, которая значительно сократила текущее использование. Мне интересно, есть ли теоретически что-то лучшее.
эндолит
Другими словами, возможно ли измерить напряжение на проводе, не потребляя ток в процессе? Возможно ли теоретически создать коммутирующее устройство без входной емкости? Можно ли измерить давление в трубе, не выпуская воды?
эндолит
1
> Можно ли измерить давление в трубе, не выпуская воды? Да. Просто установите резиновые мембраны на обоих концах. Но вы не можете сделать это, не двигая воду, и вода теряет энергию для труб. :)
jpc
3

в противоположность:

Ваш заданный вопрос заголовка может быть решен без использования тока или любого типа схемы.

http://www.youtube.com/watch?v=SudixyugiX4

stuckie27
источник
1
Если вы не подсчитываете всю энергию, необходимую человеку, чтобы каждый раз сбрасывать врата ...
Давр