Secara teori, apakah mungkin untuk membuat gerbang logika yang menggunakan arus nol?

18

CMOS sangat mengurangi penarikan IC saat ini karena salah satu FET pelengkap selalu dalam mode non-konduktor, sehingga hanya ada aliran arus selama transisi antar negara, yang hanya merupakan jumlah muatan pada kapasitansi setara gerbang dan mungkin ada kebocoran ketika kedua gerbang terbuka sebentar.

Apakah secara teori dimungkinkan untuk membuat gerbang logika yang memiliki kebocoran nol saat mengubah keadaan (menggunakan teknologi realistis), dan sinyal baru saja melewati sirkuit sebagai perubahan tegangan menyebabkan perubahan tegangan lainnya? Jika tidak, berapa minimum teoretisnya?

current cmos energy theory endolit
sumber
Terkait physics.stackexchange.com/questions/2178/...
endolit

Jawaban:

8

Tidak mungkin untuk membuat gerbang logika elektronik yang berfungsi bahkan ketika saat ini selalu nol.

Namun, dimungkinkan untuk mengatur gerbang logika elektronik CMOS sedemikian rupa sehingga energi yang tersimpan secara kapasitif di gerbang transistor kemudian dikembalikan ke catu daya, sehingga menggunakan daya bersih hampir nol. Setelah sistem dinyalakan dan semua kapasitor bypass terisi penuh, gerbang-gerbang logika dapat melakukan sejumlah besar perhitungan sembari menarik arus hampir nol dari baterai. Pengaturan semacam itu sering disebut komputasi non-destruktif.

Juga, ada banyak cara untuk membangun struktur komputasi yang setara secara logis tanpa perangkat elektronik. Gerbang logika non-elektronik seperti itu secara alami menggunakan arus nol, meskipun hampir semuanya membutuhkan lebih banyak daya untuk beroperasi daripada gerbang logika elektronik yang setara secara logis.

komputasi non-elektronik

Beberapa gerbang logika non-elektronik tercantum dalam artikel "Sepuluh komputer paling aneh" .

Beberapa gerbang logika non-elektronik yang tampaknya tidak cukup aneh untuk membuat artikel itu:

David Cary telah mendesain CPU yang sepenuhnya dibangun dari katup spool, dan masih memikirkan apakah akan memberi daya pada benda dengan tekanan oli hidrolik tradisional, tekanan air, atau tekanan udara.

The logika fluidic gerbang telah ada bagian yang bergerak, jika Anda tidak menghitung bergerak cairan melalui mereka sebagai "bagian".

(Apakah ada artikel di Wikipedia atau wiki lain dengan daftar cara untuk mengimplementasikan konsep abstrak "gerbang logika"?)

komputasi non-destruktif

Komputasi non-destruktif, juga disebut komputasi reversibel, Charge Recovery Logic, atau Adiabatic Logic, melibatkan gerbang yang menggunakan daya hampir nol.

Ketika sistem komputasi menghapus sedikit informasi, ia harus menghilangkan energi minimum teoretis kT ln (2) - batas von Neumann-Landauer - di mana k adalah konstanta Boltzmann dan T adalah suhu.

Kebanyakan gerbang logika menghapus sedikit informasi untuk setiap operasi logika. Namun, ada beberapa gerbang logika yang mempertahankan setiap bit. Secara teori, gerbang logika non-destruktif ini dapat menggunakan daya yang jauh lebih sedikit daripada kekuatan minimum teoritis gerbang logika bit-destruktif.

"Reversible Logic" oleh Ralph C. Merkle di Zyvex

RevComp - Grup Riset Reversible dan Quantum Computing memiliki beberapa foto bagus dari CPU reversibel mereka.

davidcary
sumber
Logika adiabatik cukup banyak apa yang saya cari. Sesuatu untuk meningkatkan / menyiasati ketidaksempurnaan CMOS.
endolith
Meskipun saya masih ingin mengetahui jumlah energi serendah mungkin yang diperlukan secara teoritis untuk memproses informasi.
endolith
2
Semua arsitektur komputer bergantian antara menyimpan bit di satu tempat, menyalurkan bit yang tersimpan melalui beberapa logika kombinasional seperti ALU, dan kemudian menyimpan bit hasil di tempat lain. Menyimpan sedikit membutuhkan teori minimum kT ln (2). Tampaknya ada perdebatan tentang apakah batas bawah dari logika kombinasional sebenarnya nol atau hanya kecil dibandingkan dengan kT ln (2) - atau dengan kata lain, mengenai apakah jumlah maksimum teoritis operasi logika kombinasional yang dapat dilakukan seseorang dengan jumlah energi yang diberikan tidak terbatas atau terbatas. Lihat cise.ufl.edu/research/revcomp .
davidcary
1
Dapatkah komputer yang dapat dibalik menjadi Turing-selesai, mampu menyelesaikan masalah dengan fungsi terbatas dari jumlah memori yang akan diperlukan untuk mesin Turing yang tidak dapat dibalik>?
supercat
1
@endolith: Ya, hari ini , gerbang menggunakan lebih dari kT ln (2) - baik gerbang CMOS yang destruktif maupun non-destruktif. Namun, jika tren saat ini berlanjut , energi yang digunakan oleh gerbang CMOS non-destruktif akan turun di bawah kT ln (2) sekitar 2025. Gerbang destruktif, baik CMOS atau apa pun, tidak dapat menggunakan kurang dari minimum teoritis kT ln (2).
davidcary
10

Iya. Anda dapat membuat gerbang yang beralih dengan arus nol jika Anda tidak keberatan menunggu waktu yang tak terbatas;) Karena arus berubah muatan atas perubahan waktu, karena perubahan waktu menjadi tak terhingga arus menjadi nol. Jalankan logika Anda selambat mungkin sambil memenuhi spesifikasi sistem lainnya.

Tugas pekerjaan rumah Anda untuk malam ini adalah membaca bab "Termodinamika Komputasi" dari "Kuliah Feynman tentang Komputasi";)

jluciani
sumber
ohh, Feynman saya harus membacanya juga!
stuckie27
1
Saya mungkin sudah membaca itu sejak lama. Apakah itu esai yang berbicara tentang perhitungan yang dapat dibalik?
endolith
3
Itu dia.
jluciani
6

Tidak, itu tidak mungkin.

Kapasitansi gerbang adalah fungsi dari geometri transistor dan sifat-sifat bahan transistor. Akan selalu ada kapasitansi. Dalam upaya meminimalkan kapasitansi, selalu ada pertukaran antara kecepatan transistor, gangguan tegangan, penguatan, dan properti perangkat lainnya.

Tidak hanya itu, tetapi untuk menggunakan output gerbang, transistor harus menggerakkan output kapasitansi apa pun. Sekali lagi, kapasitansi keluaran adalah fungsi dari geometri kawat dan sifat-sifat bahan di sekitarnya.

Ada juga efek kebocoran lainnya. Di saluran pembuangan dan sumber transistor dalam keadaan mati dan bahkan beberapa kebocoran arus ke gerbang. Sementara efek ini sebagian besar dapat diabaikan di bagian silikon yang sebenarnya, Anda akan menghadapinya cepat atau lambat dalam pencarian Anda untuk gerbang nol saat ini.

Clint Lawrence
sumber
Saya tidak mengatakan itu harus menggunakan transistor.
endolith
5
Mungkin tidak, tetapi Anda memang menyebutkannya dan menandai pertanyaan CMOS. Jadi sepertinya asumsi yang masuk akal.
Clint Lawrence
1
Saya menyebutkannya sebagai contoh teknologi baru yang sangat mengurangi penggunaan saat ini. Saya ingin tahu apakah secara teori ada sesuatu yang lebih baik.
endolith
Dengan kata lain, apakah mungkin untuk mengukur tegangan pada kawat tanpa menarik arus dari dalam proses? Apakah secara teori dimungkinkan untuk membuat perangkat switching yang tidak memiliki kapasitansi input? Apakah mungkin untuk mengukur tekanan dalam pipa tanpa mengeluarkan air?
endolith
1
> Apakah mungkin mengukur tekanan dalam pipa tanpa mengeluarkan air? Iya. Cukup pasang membran karet di kedua ujungnya. Tetapi Anda tidak dapat melakukan ini tanpa memindahkan air dan air yang mengalir kehilangan energi ke pipa. :)
jpc
3

au contraire:

Pertanyaan utama yang diajukan Anda dapat diselesaikan tanpa menggunakan arus, atau jenis sirkuit apa pun.

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

stuckie27
sumber
1
Jika Anda tidak menghitung semua energi yang diperlukan dari manusia untuk mengatur ulang gerbang setiap kali ...
davr