ในทางทฤษฎีเป็นไปได้ไหมที่จะสร้างลอจิกเกตที่ใช้กระแสไฟฟ้าเป็นศูนย์?


18

CMOS ช่วยลดการดึงไอซีในปัจจุบันได้อย่างมากเนื่องจากหนึ่งใน FET ที่เกื้อกูลอยู่เสมอในโหมดที่ไม่ดำเนินการดังนั้นจึงมีกระแสไหลเพียงอย่างเดียวระหว่างการเปลี่ยนระหว่างรัฐซึ่งเป็นปริมาณประจุไฟฟ้าบนเกตและ อาจรั่วเมื่อประตูทั้งสองเปิดในไม่ช้า

เป็นไปได้ในทางทฤษฎีหรือไม่ที่จะสร้างลอจิกเกทที่ไม่มีการรั่วไหลขณะเปลี่ยนสถานะ (ใช้เทคโนโลยีที่สมจริง) และสัญญาณจะถูกส่งผ่านวงจรเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงแรงดันทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าอื่น ๆ ถ้าไม่ทฤษฎีขั้นต่ำสุดคืออะไร?


ที่เกี่ยวข้องphysics.stackexchange.com/questions/2178/…
endolith

คำตอบ:


8

มันเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างประตูตรรกะอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำงานได้แม้ในขณะที่กระแสไฟฟ้าเป็นศูนย์เสมอ

อย่างไรก็ตามมันเป็นไปได้ที่จะจัดเรียงลอจิกอิเล็กทรอนิคส์ของ CMOS ในลักษณะที่พลังงานเก็บประจุไว้บนประตูทรานซิสเตอร์จะถูกส่งกลับไปยังแหล่งจ่ายไฟในภายหลังดังนั้นจึงใช้พลังงานสุทธิเกือบเป็นศูนย์ เมื่อระบบขับเคลื่อนขึ้นและตัวเก็บประจุบายพาสทั้งหมดชาร์จเต็มแล้วลอจิกเกตเหล่านั้นสามารถทำการคำนวณจำนวนมากตามอำเภอใจในขณะที่ดึงกระแสเกือบเป็นศูนย์จากแบตเตอรี่ การเตรียมการดังกล่าวมักเรียกว่าการคำนวณแบบไม่ทำลาย

นอกจากนี้ยังมีหลายวิธีในการสร้างโครงสร้างการคำนวณเชิงตรรกะโดยไม่มีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใด ๆ ประตูลอจิกที่ไม่ใช่แบบอิเล็กทรอนิกส์ดังกล่าวใช้กระแสไฟฟ้าเป็นศูนย์โดยธรรมชาติแม้ว่าเกือบทั้งหมดจะต้องการพลังงานมากกว่าการใช้งานมากกว่าประตูตรรกะทางอิเล็กทรอนิกส์ที่เทียบเท่าแบบตรรกะ

การคำนวณที่ไม่ใช่อิเล็กทรอนิกส์

บางประตูตรรกะที่ไม่ใช่อิเล็กทรอนิกส์มีการระบุไว้ในบทความ "สิบคอมพิวเตอร์แปลกประหลาด"

ประตูตรรกะที่ไม่ใช่ทางอิเล็กทรอนิกส์อีกสองสามแห่งที่ดูเหมือนจะไม่แปลกพอที่จะทำให้บทความนี้:

David Cary ได้ออกแบบซีพียูที่จะสร้างทั้งหมดจาก spool valve และยังคงไตร่ตรองว่าจะใช้พลังงานกับน้ำมันไฮดรอลิกแรงดันน้ำหรือแรงดันอากาศ

ตรรกะ fluidicประตูไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวถ้าคุณไม่นับย้ายของเหลวผ่านพวกเขาเป็น "ส่วนหนึ่ง"

(มีบทความเกี่ยวกับ Wikipedia หรือ wiki อื่น ๆ ที่มีรายการวิธีในการนำแนวคิดนามธรรมของ "logic gate" ไปใช้ไหม)

การคำนวณแบบไม่ทำลาย

การคำนวณแบบไม่ทำลายซึ่งเรียกว่าการคำนวณแบบย้อนกลับ, Charge Recovery Logic หรือ Adiabatic Logic เกี่ยวข้องกับประตูที่ใช้พลังงานเกือบเป็นศูนย์

เมื่อระบบการคำนวณลบข้อมูลออกไปมันจะต้องกระจายพลังงานขั้นต่ำตามทฤษฎีของ kT ln (2) - ขีด จำกัด von Neumann-Landauer - โดยที่ k เป็นค่าคงที่ของ Boltzmann และ T คืออุณหภูมิ

ประตูลอจิกส่วนใหญ่ลบข้อมูลเล็กน้อยสำหรับการดำเนินการทางตรรกะทุกครั้ง อย่างไรก็ตามมีประตูตรรกะไม่กี่แห่งที่เก็บรักษาไว้ทุกบิต ในทางทฤษฎีประตูลอจิกแบบไม่ทำลายเหล่านี้สามารถใช้พลังงานน้อยกว่าพลังขั้นต่ำทางทฤษฎีของประตูลอจิกแบบทำลายล้างบิต

"ตรรกะที่พลิกกลับได้"โดย Ralph C. Merkle ที่ Zyvex

RevComp - กลุ่มวิจัยการคำนวณแบบย้อนกลับและเชิงควอนตัม มีรูปถ่ายที่ดีของซีพียูแบบกลับด้านได้


ตรรกะอะเดียแบติกเป็นสิ่งที่ฉันกำลังมองหา บางสิ่งบางอย่างเพื่อปรับปรุง / รับรอบข้อบกพร่องของ CMOS
endolith

แม้ว่าฉันจะยังต้องการทราบปริมาณพลังงานที่เป็นไปได้ต่ำสุดเท่าที่จะเป็นไปได้ตามความจำเป็นทางทฤษฎีในการประมวลผลข้อมูล
endolith

2
สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ทั้งหมดสลับกันระหว่างการจัดเก็บบิตในที่เดียว piping บิตที่เก็บไว้ผ่านตรรกะการผสมบางอย่างเช่น ALU แล้วจัดเก็บบิตผลลัพธ์ที่อื่น การจัดเก็บบิตต้องมีค่าต่ำสุดทางทฤษฎีของ kT ln (2) ดูเหมือนว่าจะมีการถกเถียงกันว่าขีด จำกัด ล่างของตรรกะเชิงผสมนั้นมีค่าเป็นศูนย์หรือเพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับ kT ln (2) - หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งว่าการดำเนินการเชิงตรรกะเชิงจำนวนสูงสุดเชิงทฤษฎีสามารถทำได้ด้วย ปริมาณพลังงานที่กำหนดเป็นอนันต์หรือ จำกัด ดูcise.ufl.edu/research/revcomp
davidcary

1
สามารถกลับคอมพิวเตอร์ได้ทัวริงสมบูรณ์สามารถแก้ปัญหาใด ๆ กับฟังก์ชั่นขอบเขตของจำนวนหน่วยความจำที่จะต้องใช้สำหรับเครื่องทัวริงไม่สามารถย้อนกลับ>?
supercat

1
@endolith: ใช่วันนี้ประตูใช้มากกว่า kT ln (2) - ทั้งประตู CMOS แบบทำลายล้างและแบบไม่ทำลาย อย่างไรก็ตามหากแนวโน้มปัจจุบันยังคงดำเนินต่อไปพลังงานที่ใช้โดยประตู CMOS แบบไม่ทำลายจะลดลงต่ำกว่า kT ln (2) ประมาณปี 2025 ประตูการทำลายล้างไม่ว่าจะเป็น CMOS หรืออะไรก็ตามไม่สามารถใช้น้อยกว่าขั้นต่ำทางทฤษฎีของ kT ln (2)
davidcary

10

ใช่. คุณสามารถสร้างเกทที่สลับกับศูนย์กระแสถ้าคุณไม่รังเกียจที่จะรอเวลาเป็นอนันต์;) เนื่องจากกระแสมีการเปลี่ยนแปลงประจุผ่านการเปลี่ยนแปลงตามเวลาเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของเวลาไปเป็นอินฟินิตี้กระแสจะเป็นศูนย์ ใช้ตรรกะของคุณช้าที่สุดเท่าที่จะทำได้ในขณะที่ทำตามข้อกำหนดระบบอื่น ๆ ของคุณ

การบ้านที่มอบหมายให้คืนนี้คือการอ่านบท "อุณหพลศาสตร์ของคอมพิวเตอร์" จาก "Feynman's Lectures on Computing";)


โอ้, ไฟน์แมนฉันควรอ่านมันด้วย!
stickie27

1
ฉันอาจอ่านมานานแล้ว บทความนั้นพูดถึงการคำนวณย้อนกลับได้หรือไม่?
endolith

3
นั่นคือหนึ่ง
jluciani

6

ไม่เป็นไปไม่ได้

ความจุของเกตเป็นหน้าที่ของรูปทรงของทรานซิสเตอร์และคุณสมบัติของวัสดุของทรานซิสเตอร์ จะมีประจุอยู่เสมอ ในความพยายามที่จะลดความจุจะมีการแลกเปลี่ยนระหว่างความเร็วของทรานซิสเตอร์การสลายแรงดันไฟฟ้ากำไรและคุณสมบัติของอุปกรณ์อื่น ๆ

ไม่เพียงแค่นั้น แต่เพื่อใช้เอาต์พุตของเกตทรานซิสเตอร์จะต้องขับความจุเอาต์พุตใด ๆ อีกครั้งความจุเอาท์พุทเป็นหน้าที่ของเรขาคณิตลวดและคุณสมบัติของวัสดุโดยรอบ

นอกจากนี้ยังมีผลกระทบการรั่วไหลอื่น ๆ ข้ามท่อระบายน้ำและแหล่งที่มาของทรานซิสเตอร์ใด ๆ ในสถานะปิดและแม้กระทั่งกระแสไฟฟ้ารั่วไหลเข้าประตู ในขณะที่เอฟเฟกต์เหล่านี้ส่วนใหญ่มีความสำคัญน้อยในชิ้นส่วนซิลิกอนที่เกิดขึ้นจริงคุณจะพบกับพวกเขาไม่ช้าก็เร็วในการแสวงหาประตูที่ไม่มีกระแสไฟฟ้า


ฉันไม่ได้บอกว่ามันต้องใช้ทรานซิสเตอร์
endolith

5
อาจจะไม่ได้ แต่คุณได้พูดถึงพวกเขาและติดแท็กคำถาม CMOS ดังนั้นจึงดูเหมือนสมมติฐานที่สมเหตุสมผล
Clint Lawrence

1
ฉันพูดถึงมันเป็นตัวอย่างของเทคโนโลยีใหม่ที่ลดการใช้งานในปัจจุบันลงอย่างมาก ฉันสงสัยว่าในทางทฤษฎีมีอะไรที่ดีกว่านี้หรือไม่
endolith

กล่าวอีกนัยหนึ่งเป็นไปได้ไหมที่จะวัดแรงดันไฟฟ้าบนลวดโดยไม่ดึงกระแสไฟฟ้าใด ๆ ออกมาจากกระบวนการ เป็นไปได้ในทางทฤษฎีหรือไม่ที่จะสร้างอุปกรณ์สวิตชิ่งที่ไม่มีความจุอินพุต? เป็นไปได้หรือไม่ที่จะวัดความดันในท่อโดยไม่ปล่อยให้น้ำไหลออกมา?
endolith

1
> เป็นไปได้หรือไม่ที่จะวัดความดันในท่อโดยไม่ปล่อยให้น้ำไหลออกมา? ใช่. เพียงติดตั้งเมมเบรนยางที่ปลายทั้งสอง แต่คุณไม่สามารถทำสิ่งนี้ได้โดยไม่ต้องย้ายน้ำและน้ำที่กำลังเคลื่อนที่สูญเสียพลังงานไปยังท่อ :)
jpc

3

au ตรงกันข้าม:

คำถามพาดหัวที่ถูกโพสต์ของคุณสามารถแก้ไขได้โดยไม่ต้องใช้กระแสหรือวงจรใด ๆ

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


1
หากคุณไม่ได้นับพลังงานทั้งหมดที่จำเป็นจากมนุษย์เพื่อรีเซ็ตประตูในแต่ละครั้ง ...
davr

2

หากคุณไม่จำเป็นต้องเรียกใช้โปรแกรมเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ดูเหมือนว่าจะเป็นขั้นตอนในการคำนวณบางอย่างโดยไม่คิดค่าใช้จ่ายใด ๆ แม้ว่าอุปกรณ์ของพวกเขาจะต้องสิ้นเปลืองพลังงานบ้าง


ว้าวมันช่างน่าอัศจรรย์
davidcary
โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.