从理论上讲,是否可以制造一个使用零电流的逻辑门?


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CMOS大大降低了IC的电流消耗,因为其中一个互补FET始终处于非导电模式,因此在状态之间的过渡期间只有电流流动,这仅仅是栅极等效电容和当两个闸门都暂时打开时,可能有些泄漏。

从理论上讲,是否可以使逻辑门在改变状态时(使用任何现实的技术)具有零泄漏,并且信号随电压的变化而引起电压的其他变化而通过电路?如果没有,理论上的最小值是多少?


Answers:


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即使其电流始终为零,也无法使电子逻辑门正常工作。

但是,可以通过以下方式布置CMOS电子逻辑门:电容性存储在晶体管门上的能量随后返回到电源,因此它使用的净功率几乎为零。一旦系统加电并且所有旁路电容器都充满电,这些逻辑门就可以进行任意大量的计算,同时从电池中汲取几乎为零的电流。这样的布置通常被称为非破坏性计算。

同样,有许多方法可以在没有任何电子设备的情况下构建逻辑上等效的计算结构。这种非电子逻辑门自然使用零电流,尽管几乎所有非电子逻辑门都需要比逻辑上等效的电子逻辑门更大的功率来工作。

非电子计算

文章“十大最奇怪的计算机”中列出了一些非电子逻辑门

其他一些非电子逻辑门显然不足以撰写这篇文章:

大卫·卡里(David Cary)设计了一种完全由滑阀构建的CPU,并且仍在考虑是否要使用传统的液压油压力,水压或气压为事物供电。

流体逻辑门都没有移动部件,如果你不指望通过他们的“部分”流体运动。

(在Wikipedia或其他Wiki上是否有一篇文章,其中列出了实现“逻辑门”的抽象概念的方法列表?)

无损计算

非破坏性计算(也称为可逆计算),电荷恢复逻辑或绝热逻辑涉及几乎使用零功率的门。

当计算系统删除一些信息时,它必须消散理论上的最小能量kT ln(2)-冯·诺依曼-兰道尔极限-其中k是玻尔兹曼常数,T是温度。

大多数逻辑门会为每个逻辑操作擦除一些信息。但是,有一些逻辑门可以保留每一位。从理论上讲,这些非破坏性逻辑门的功耗要远低于位破坏性逻辑门的理论最小功耗。

Zyvex的Ralph C. Merkle撰写的“可逆逻辑”

RevComp- 可逆和量子计算研究小组 拥有其可逆CPU的漂亮照片。


绝热逻辑几乎就是我想要的。改善/克服CMOS缺陷的方法。
endlith 2010年

尽管我仍然想知道理论上处理信息所需的最低能量。
endlith

2
所有计算机体系结构都在将位存储在一个位置,通过某种组合逻辑(例如ALU)将存储的位通过管道传输,然后将结果位存储在其他位置之间交替进行。存储一位需要理论最小值kT ln(2)。与kT ln(2)相比,组合逻辑的下限实际上是零还是仅很小,或者换言之,关于组合逻辑的理论最大数量是否可以用kT ln(2)进行,似乎存在争议。给定的能量是无限的或无限的。请参阅cise.ufl.edu/research/revcomp
davidcary 2010年

1
可逆计算机能否是图灵完备的,能够解决不可逆图灵机所需的内存量有限功能的任何问题?
supercat

1
@endolith:是的,今天,门的使用远远超过了kT ln(2)-破坏性和非破坏性CMOS栅。但是,如果当前趋势继续下去,则非破坏性CMOS栅极所使用的能量将在2025年左右降至kT ln(2)以下。破坏性栅极(无论是CMOS还是其他任何东西)都不能使用低于kT ln(2)的理论最小值。
davidcary 2011年

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是。如果您不介意等待无限长的时间,则可以使门切换为零电流;)由于电流是电荷随时间的变化而变化,随着时间的变化达到无穷大,电流将变为零。在满足其他系统规格的同时,尽可能慢地运行逻辑。

您今晚的家庭作业是阅读“费恩曼关于计算的演讲”中的“计算热力学”一章;)


哦,费曼,我也应该读!
–stickie27

1
我可能很久以前就读过。那是关于可逆计算的文章吗?
endlith 2010年

3
就是那个。
jluciani

6

不,不可能。

栅极电容是晶体管几何形状和晶体管材料特性的函数。总会有电容。为了最小化电容,总会在晶体管速度,电压击穿,增益和其他器件特性之间进行权衡。

不仅如此,为了使用栅极的输出,晶体管必须驱动任何输出电容。同样,输出电容是导线几何形状和周围材料特性的函数。

还有其他泄漏效应。处于截止状态的任何晶体管的漏极和源极之间,甚至有一些泄漏电流流入栅极。尽管这些影响在实际的硅元件中大部分可以忽略不计,但您迟早会寻求零电流门时会与它们抗衡。


我没有说它必须使用晶体管。
endolith'Mar

5
也许不是,但是您确实提到了它们并标记了CMOS问题。因此,这似乎是一个合理的假设。
克林特·劳伦斯

1
我将其作为新技术的示例进行了介绍,该技术大大减少了当前的使用。我想知道理论上是否有更好的东西。
endlith 2010年

换句话说,在测量过程中可以在不汲取任何电流的情况下测量电线上的电压吗?从理论上讲,制造输入电容的开关设备是否可行?是否可以在不渗水的情况下测量管道中的压力?
endlith 2010年

1
>是否可以在不渗水的情况下测量管道中的压力?是。只需在两端安装橡胶膜即可。但是,如果不移动任何水,您将无法做到这一点,并且移动的水会损失管道的能量。:)
jpc


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