In teoria, è possibile realizzare un gate logico che utilizza corrente zero?

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Il CMOS riduce notevolmente l'assorbimento di corrente dei circuiti integrati perché uno dei FET complementari è sempre in modalità non conduttiva, quindi durante la transizione tra gli stati c'è solo un flusso di corrente, che è solo la quantità di carica sulla capacità equivalente del gate e forse qualche perdita quando entrambe le porte sono momentaneamente aperte.

È teoricamente possibile realizzare un gate logico che non abbia perdite durante il cambio di stato (usando qualsiasi tecnologia realistica), e il segnale è appena passato attraverso il circuito come variazioni di tensione che causano altre variazioni di tensione? In caso contrario, qual è il minimo teorico?

current  cmos  energy  theory 
— endolith
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— endolith

Risposte:

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Non è possibile realizzare un gate logico elettronico che funzioni anche quando la sua corrente è sempre zero.

Tuttavia, è possibile disporre le porte logiche elettroniche CMOS in modo tale che l'energia immagazzinata in modo capacitivo sulle porte dei transistor venga successivamente restituita all'alimentazione, quindi utilizza quasi zero potenza netta. Una volta che il sistema è acceso e tutti i condensatori di bypass sono completamente carichi, quelle porte logiche possono eseguire arbitrariamente una grande quantità di calcolo mentre tirano quasi zero corrente dalla batteria. Tali disposizioni sono spesso chiamate elaborazione non distruttiva.

Inoltre, ci sono molti modi per costruire strutture computazionali logicamente equivalenti senza dispositivi elettronici. Tali porte logiche non elettroniche usano naturalmente corrente zero, sebbene quasi tutte richiedano molta più energia per funzionare rispetto alla loro porta logica elettronica logicamente equivalente.

informatica non elettronica

Alcune porte logiche non elettroniche sono elencate nell'articolo "Dieci computer più strani" .

Alcune altre porte logiche non elettroniche che apparentemente non sono abbastanza strane per rendere l'articolo:

David Cary ha progettato una CPU da costruire interamente con distributori, e sta ancora valutando se alimentare la cosa con la tradizionale pressione dell'olio idraulico, dell'acqua o dell'aria.

Le porte della logica fluidica non hanno parti in movimento, se non si considera il fluido che si muove attraverso di esse come una "parte".

(Esiste un articolo su Wikipedia o qualche altra wiki con un elenco di modi per implementare il concetto astratto di "porta logica"?)

elaborazione non distruttiva

Il calcolo non distruttivo, chiamato anche calcolo reversibile, Charge Recovery Logic o Adiabatic Logic, comporta porte che consumano quasi zero energia.

Quando un sistema computazionale cancella un po 'di informazioni, deve dissipare un'energia minima teorica di kT ln (2) - il limite di von Neumann-Landauer - dove k è la costante di Boltzmann e T è la temperatura.

La maggior parte delle porte logiche cancella un po 'di informazioni per ogni operazione logica. Tuttavia, ci sono alcune porte logiche che preservano ogni bit. In teoria, queste porte logiche non distruttive potrebbero usare molta meno potenza della potenza minima teorica delle porte logiche distruttive di bit.

"Reversible Logic" di Ralph C. Merkle presso Zyvex

RevComp - Il Reversible and Quantum Computing Research Group ha alcune belle foto della loro CPU reversibile.

— davidcary
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La logica adiabatica è praticamente ciò che stavo cercando. Qualcosa da migliorare / aggirare le imperfezioni del CMOS.
— endolito il
Anche se mi piacerebbe ancora conoscere la minima quantità possibile di energia teoricamente necessaria per elaborare le informazioni.
— endolith
2
Tutte le architetture di computer si alternano tra l'archiviazione di bit in un posto, il piping di bit memorizzati attraverso una logica combinatoria come un ALU, e quindi l'archiviazione dei bit di risultato altrove. La memorizzazione di un bit richiede un minimo teorico di kT ln (2). Sembra esserci un dibattito sul fatto se il limite inferiore della logica combinatoria sia effettivamente zero o semplicemente piccolo rispetto a kT ln (2) - o in altre parole, se la quantità massima teorica di operazioni di logica combinatoria che si possa fare con un la quantità data di energia è infinita o finita. Vedi cise.ufl.edu/research/revcomp .
— davidcary,
1
Il computer reversibile potrebbe essere Turing completo, in grado di risolvere qualsiasi problema con una funzione limitata della quantità di memoria che sarebbe necessaria per una macchina Turing non reversibile>?
— supercat
1
@endolith: Sì, oggi le porte usano molto più di kT ln (2) - sia porte CMOS distruttive che non distruttive. Tuttavia, se le attuali tendenze continuano , l'energia utilizzata dalle porte CMOS non distruttive scenderà sotto kT ln (2) intorno al 2025. Le porte distruttive, sia CMOS che altro, non possono usare meno del minimo teorico di kT ln (2).
— David
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Sì. Puoi creare un gate che commuta con corrente zero se non ti dispiace aspettare un infinito periodo di tempo;) Poiché la corrente è una variazione in carica su una variazione nel tempo, poiché la variazione nel tempo va all'infinito, la corrente va a zero. Esegui la tua logica il più lentamente possibile mentre soddisfi le altre tue specifiche di sistema.

Il tuo compito a casa per stasera è leggere il capitolo "Termodinamica del calcolo" da "Lezioni di calcolo di Feynman";)

— jluciani
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ohh, Feynman, dovrei leggere anche quello!
— stuckie27
1
Potrei averlo letto molto tempo fa. È questo il saggio che parla del calcolo reversibile?
— endolith
3
È lui.
— jluciani,
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No, non è possibile.

La capacità del gate è una funzione della geometria del transistor e delle proprietà dei materiali del transistor. Ci sarà sempre capacità. Nel tentativo di minimizzare la capacità ci sarà sempre un compromesso tra velocità del transistor, interruzione della tensione, guadagno e altre proprietà del dispositivo.

Non solo, ma per utilizzare l'uscita del gate, il transistor deve pilotare qualsiasi capacità di uscita. Ancora una volta, la capacità di uscita è una funzione della geometria del filo e delle proprietà dei materiali circostanti.

Ci sono anche altri effetti di perdita. Attraverso il drain e la sorgente di qualsiasi transistor nello stato off e anche una certa corrente di dispersione nel gate. Mentre questi effetti sono per la maggior parte trascurabili nelle parti di silicio reali, prima o poi ti imbatteresti in loro nella tua ricerca di un cancello a corrente zero.

— Clint Lawrence
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Non ho detto che doveva usare i transistor.
— endolith
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Forse no, ma li hai menzionati e hai taggato la domanda CMOS. Quindi sembrava un presupposto ragionevole.
— Clint Lawrence,
1
L'ho citato come esempio di una nuova tecnologia che ha notevolmente ridotto l'utilizzo corrente. Mi chiedo se teoricamente c'è qualcosa di meglio.
— endolito il
In altre parole, è possibile misurare la tensione su un filo senza assorbire corrente da esso nel processo? È teoricamente possibile realizzare un dispositivo di commutazione che non abbia capacità di ingresso? È possibile misurare la pressione in un tubo senza far fuoriuscire l'acqua?
— endolito
1
> È possibile misurare la pressione in un tubo senza far fuoriuscire l'acqua? Sì. Basta installare le membrane di gomma su entrambe le estremità. Ma non puoi farlo senza spostare l'acqua e l'acqua in movimento perde energia per il tubo. :)
— jpc,
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