En théorie, est-il possible de réaliser une porte logique utilisant un courant nul?

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Le CMOS réduit considérablement la consommation de courant des CI car l'un des FET complémentaires est toujours en mode non conducteur, il n'y a donc qu'un flux de courant pendant la transition entre les états, qui est juste la quantité de charge sur la capacité équivalente de la porte et peut-être une fuite lorsque les deux portes sont ouvertes momentanément.

Est-il théoriquement possible de créer une porte logique qui n'a aucune fuite tout en changeant d'états (en utilisant une technologie réaliste), et le signal est juste passé à travers le circuit comme des changements de tension provoquant d'autres changements de tension? Sinon, quel est le minimum théorique?

current  cmos  energy  theory 
— endolith
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— endolith

Réponses:

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Il n'est pas possible de réaliser une porte logique électronique qui fonctionne même lorsque son courant est toujours nul.

Cependant, il est possible d'agencer les portes logiques électroniques CMOS de telle sorte que l'énergie stockée capacitivement sur les portes du transistor soit ensuite renvoyée à l'alimentation électrique, de sorte qu'elle utilise une puissance nette presque nulle. Une fois que le système est mis sous tension et que tous les condensateurs de dérivation sont complètement chargés, ces portes logiques peuvent effectuer un calcul arbitrairement important tout en tirant un courant presque nul de la batterie. De tels arrangements sont souvent appelés calcul non destructif.

En outre, il existe de nombreuses façons de créer des structures de calcul logiquement équivalentes sans aucun appareil électronique. De telles portes logiques non électroniques utilisent naturellement un courant nul, bien que presque toutes nécessitent beaucoup plus de puissance pour fonctionner que leur porte logique électronique logiquement équivalente.

informatique non électronique

Certaines portes logiques non électroniques sont répertoriées dans l'article "Dix ordinateurs les plus étranges" .

Quelques portes logiques non électroniques supplémentaires qui ne sont apparemment pas assez étranges pour faire cet article:

David Cary a conçu un CPU entièrement construit à partir de vannes à tiroir et se demande toujours s'il faut alimenter la chose avec la pression d'huile hydraulique traditionnelle, la pression de l'eau ou la pression de l'air.

Les portes logiques fluidiques n'ont pas de parties mobiles, si vous ne comptez pas le fluide qui les traverse comme une "partie".

(Y a-t-il un article sur Wikipédia ou un autre wiki avec une liste de façons de mettre en œuvre le concept abstrait de "porte logique"?)

calcul non destructif

L'informatique non destructive, également appelée informatique réversible, logique de récupération de charge ou logique adiabatique, implique des portes qui utilisent une puissance presque nulle.

Lorsqu'un système de calcul efface un peu d'information, il doit dissiper une énergie minimale théorique de kT ln (2) - la limite de von Neumann-Landauer - où k est la constante de Boltzmann et T est la température.

La plupart des portes logiques effacent un peu d'informations pour chaque opération logique. Cependant, il existe quelques portes logiques qui préservent chaque bit. En théorie, ces portes logiques non destructives pourraient utiliser beaucoup moins de puissance que la puissance minimale théorique des portes logiques destructrices de bits.

"Logique réversible" de Ralph C. Merkle chez Zyvex

RevComp - Le groupe de recherche en informatique réversible et quantique a de belles photos de son processeur réversible.

— davidcary
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La logique adiabatique est à peu près ce que je cherchais. Quelque chose pour améliorer / contourner les imperfections du CMOS.
— endolith
Bien que j'aimerais toujours connaître la quantité d'énergie la plus faible possible théoriquement nécessaire pour traiter l'information.
— endolith
2
Toutes les architectures informatiques alternent entre le stockage de bits en un seul endroit, le transfert de bits stockés via une logique combinatoire telle qu'une ALU, puis le stockage des bits de résultat ailleurs. Le stockage d'un bit nécessite un minimum théorique de kT ln (2). Il semble y avoir un débat pour savoir si la limite inférieure de la logique combinatoire est réellement nulle ou simplement petite par rapport à kT ln (2) - ou en d'autres termes, pour savoir si la quantité maximale théorique d'opérations de logique combinatoire que l'on peut faire avec un la quantité d'énergie donnée est infinie ou finie. Voir cise.ufl.edu/research/revcomp .
— davidcary
1
Un ordinateur réversible peut-il être Turing-complet, capable de résoudre n'importe quel problème avec une fonction limitée de la quantité de mémoire qui serait requise pour une machine Turing non réversible>?
— supercat
1
@endolith: Oui, aujourd'hui , les portes utilisent beaucoup plus que kT ln (2) - des portes CMOS destructives et non destructives. Cependant, si les tendances actuelles se poursuivent , l'énergie utilisée par les portes CMOS non destructives tombera en dessous de kT ln (2) vers 2025. Les portes destructives, qu'elles soient CMOS ou autre, ne peuvent pas utiliser moins que le minimum théorique de kT ln (2).
— davidcary
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Oui. Vous pouvez faire une porte qui commute avec un courant nul si cela ne vous dérange pas d'attendre une quantité de temps infinie;) Puisque le courant est un changement de charge au fil du temps, comme le changement de temps va à l'infini, le courant va à zéro. Exécutez votre logique aussi lentement que possible tout en respectant les autres spécifications de votre système.

Votre devoir pour ce soir est de lire le chapitre "Thermodynamique de l'informatique" de "Feynman's Lectures on Computation";)

— jluciani
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ohh, Feynman, je devrais lire ça aussi!
— stuckie27
1
J'ai peut-être lu cela il y a longtemps. Est-ce l'essai qui parle de calcul réversible?
— endolith
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C'est celui-là.
— jluciani
6

Non ce n'est pas possible.

La capacité de grille est fonction de la géométrie du transistor et des propriétés des matériaux du transistor. Il y aura toujours de la capacité. Afin de minimiser la capacité, il y aura toujours un compromis entre la vitesse du transistor, la rupture de tension, le gain et d'autres propriétés de l'appareil.

Non seulement cela, mais pour utiliser la sortie de la grille, le transistor doit piloter n'importe quelle capacité de sortie. Encore une fois, la capacité de sortie est fonction de la géométrie du fil et des propriétés des matériaux environnants.

Il existe également d'autres effets de fuite. À travers le drain et la source de tout transistor à l'état bloqué et même un certain courant de fuite dans la grille. Bien que ces effets soient pour la plupart négligeables dans les pièces en silicium réelles, vous les rencontrerez tôt ou tard dans votre quête d'une porte à courant nul.

— Clint Lawrence
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Je n'ai pas dit qu'il fallait utiliser des transistors.
— endolith
5
Peut-être pas, mais vous les avez mentionnés et avez marqué la question CMOS. Cela semblait donc être une hypothèse raisonnable.
— Clint Lawrence
1
Je l'ai mentionné comme exemple d'une nouvelle technologie qui a considérablement réduit l'utilisation actuelle. Je me demande s'il y a théoriquement quelque chose de mieux.
— endolith
En d'autres termes, est-il possible de mesurer la tension sur un fil sans en tirer de courant dans le processus? Est-il théoriquement possible de réaliser un dispositif de commutation sans capacité d'entrée? Est-il possible de mesurer la pression dans une conduite sans laisser sortir d'eau?
— endolith
1
> Est-il possible de mesurer la pression dans une conduite sans laisser sortir d'eau? Oui. Installez simplement des membranes en caoutchouc aux deux extrémités. Mais vous ne pouvez pas le faire sans déplacer de l'eau et l'eau en mouvement perd de l'énergie dans le tube. :)
— jpc
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