En teoría, ¿es posible hacer una puerta lógica que use corriente cero?

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CMOS reduce en gran medida el consumo de corriente de los circuitos integrados porque uno de los FET complementarios siempre está en el modo no conductor, por lo que solo hay un flujo de corriente durante la transición entre estados, que es solo la cantidad de carga en la capacitancia equivalente de la puerta y tal vez alguna fuga cuando ambas puertas están abiertas momentáneamente.

¿Es teóricamente posible hacer una puerta lógica que tenga cero fugas al cambiar de estado (usando cualquier tecnología realista), y la señal simplemente pasa a través del circuito a medida que los cambios en el voltaje causan otros cambios en el voltaje? Si no, ¿cuál es el mínimo teórico?

current  cmos  energy  theory 
— endolito
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— endolith

Respuestas:

8

No es posible hacer una puerta lógica electrónica que funcione incluso cuando su corriente siempre es cero.

Sin embargo, es posible organizar las puertas lógicas electrónicas CMOS de tal manera que la energía almacenada capacitivamente en las puertas del transistor se devuelva más tarde a la fuente de alimentación, por lo que está utilizando una potencia neta casi nula. Una vez que el sistema se enciende y todos los condensadores de derivación están completamente cargados, esas puertas lógicas pueden realizar una cantidad arbitrariamente grande de cómputo mientras extraen casi cero corriente de la batería. Tales arreglos a menudo se llaman computación no destructiva.

Además, hay muchas formas de construir estructuras computacionales lógicamente equivalentes sin ningún dispositivo electrónico. Tales puertas lógicas no electrónicas utilizan naturalmente corriente cero, aunque casi todas requieren mucha más potencia para funcionar que su puerta lógica electrónica lógicamente equivalente.

computación no electrónica

Algunas puertas lógicas no electrónicas se enumeran en el artículo "Diez computadoras más extrañas" .

Algunas puertas lógicas no electrónicas más que aparentemente no son lo suficientemente extrañas como para hacer ese artículo:

David Cary ha diseñado una CPU que se construirá completamente a partir de válvulas de carrete, y todavía está reflexionando sobre si alimentar la cosa con presión de aceite hidráulico, presión de agua o presión de aire tradicionales.

Las compuertas lógicas fluídicas no tienen partes móviles, si no cuenta el fluido que se mueve a través de ellas como una "parte".

(¿Existe un artículo en Wikipedia o alguna otra wiki con una lista de formas de implementar el concepto abstracto de una "puerta lógica"?)

computación no destructiva

La computación no destructiva, también llamada computación reversible, lógica de recuperación de carga o lógica adiabática, involucra puertas que usan energía casi nula.

Cuando un sistema computacional borra un poco de información, debe disipar una energía mínima teórica de kT ln (2), el límite de von Neumann-Landauer, donde k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura.

La mayoría de las puertas lógicas borran un poco de información para cada operación lógica. Sin embargo, hay algunas puertas lógicas que preservan cada bit. En teoría, estas puertas lógicas no destructivas podrían usar mucha menos potencia que la potencia mínima teórica de las puertas lógicas destructivas de bits.

"Lógica reversible" de Ralph C. Merkle en Zyvex

RevComp: el Grupo de Investigación de Computación Reversible y Cuántica tiene algunas buenas fotos de su CPU reversible.

— davidcary
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La lógica adiabática es más o menos lo que estaba buscando. Algo para mejorar / evitar las imperfecciones de CMOS.
— endolito
Aunque todavía me gustaría saber la menor cantidad de energía posible teóricamente necesaria para procesar la información.
— endolito
2
Todas las arquitecturas de computadora alternan entre almacenar bits en un lugar, canalizando los bits almacenados a través de alguna lógica combinatoria como una ALU, y luego almacenando los bits de resultados en otro lugar. Almacenar un bit requiere un mínimo teórico de kT ln (2). Parece haber un debate sobre si el límite inferior de la lógica combinacional es en realidad cero o simplemente pequeño en comparación con kT ln (2), o en otras palabras, sobre si la cantidad máxima teórica de operaciones de lógica combinacional que uno puede hacer con un La cantidad de energía dada es infinita o finita. Ver cise.ufl.edu/research/revcomp .
— davidcary
1
¿Puede una computadora reversible estar completa en Turing, pudiendo resolver cualquier problema con una función acotada de la cantidad de memoria que se requeriría para una máquina Turing no reversible?
— supercat
1
@endolith: Sí, hoy , las compuertas usan mucho más que kT ln (2): compuertas CMOS tanto destructivas como no destructivas. Sin embargo, si las tendencias actuales continúan , la energía utilizada por las puertas CMOS no destructivas caerá por debajo de kT ln (2) alrededor de 2025. Las puertas destructivas, ya sea CMOS o cualquier otra cosa, no pueden usar menos que el mínimo teórico de kT ln (2).
— davidcary
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Si. Puede hacer una puerta que cambie con corriente cero si no le importa esperar una cantidad de tiempo infinita;) Dado que la corriente es un cambio en la carga sobre un cambio en el tiempo, a medida que el cambio en el tiempo va al infinito, la corriente va a cero. Ejecute su lógica lo más lento posible mientras cumple con las otras especificaciones de su sistema.

Su tarea para esta noche es leer el capítulo "Termodinámica de la informática" de "Las conferencias de Feynman sobre computación";)

— jluciani
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¡Oh, Feynman, yo también debería leer eso!
— stuckie27
1
Puede que lo haya leído hace mucho tiempo. ¿Es ese el ensayo que habla sobre computación reversible?
— endolito
3
Ese es.
— jluciani
6

No, no es posible.

La capacitancia de la puerta es una función de la geometría del transistor y las propiedades de los materiales del transistor. Siempre habrá capacitancia. En un esfuerzo por minimizar la capacitancia, siempre habrá un equilibrio entre la velocidad del transistor, la ruptura de voltaje, la ganancia y otras propiedades del dispositivo.

No solo eso, sino que para usar la salida de la puerta, el transistor debe controlar cualquier capacitancia de salida. Nuevamente, la capacitancia de salida es una función de la geometría del cable y de las propiedades de los materiales circundantes.

También hay otros efectos de fuga. A través del drenaje y la fuente de cualquier transistor en estado apagado e incluso alguna corriente de fuga hacia la puerta. Si bien estos efectos son en su mayor parte insignificantes en las piezas de silicio reales, tarde o temprano te enfrentarás a ellos en tu búsqueda de una puerta de corriente cero.

— Clint Lawrence
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No dije que tenía que usar transistores.
— Endolith
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Tal vez no, pero los mencionaste y etiquetaste la pregunta CMOS. Entonces parecía una suposición razonable.
— Clint Lawrence
1
Lo mencioné como un ejemplo de una nueva tecnología que redujo en gran medida el uso actual. Me pregunto si en teoría hay algo mejor.
— endolito
En otras palabras, ¿es posible medir el voltaje en un cable sin extraer corriente del mismo en el proceso? ¿Es teóricamente posible hacer un dispositivo de conmutación que no tenga capacitancia de entrada? ¿Es posible medir la presión en una tubería sin dejar salir agua?
— endolito
1
> ¿Es posible medir la presión en una tubería sin dejar salir agua? Si. Simplemente instale membranas de goma en ambos extremos. Pero no puede hacer esto sin mover agua y el agua en movimiento pierde energía en la tubería. :)
— jpc
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