Адіабатична схема — це електронна схема з низьким споживанням, яка використовує «оборотну логіку» для економії енергії.
На відміну від традиційних схем КМОН, які розсіюють енергію під час перемикання, адіабатичні схеми зменшують розсіювання, дотримуючись двох ключових правил:
- Ніколи не вмикати транзистор, коли між витоком та стоком є напруга.
- Ніколи не вимикати транзистор, коли через нього протікає струм.
Історія
Адіабатичний — це термін грецького походження, який протягом більшої частини своєї історії, пов'язаний із класичною термодинамікою. Він відноситься до системи, в якій відбувається перехід без втрати енергії (зазвичай у формі тепла) системи або без отримання її. В контексті електронних систем замість тепла зберігається електричний заряд. Таким чином, ідеальна адіабатична схема працювала б без втрати або посилення електричного заряду.
Перше використання терміну «адіабатичний» у контексті схем, схоже, простежується до статті, представленої в 1992 р. на Second Workshop on Physics and Computation. Хоча більш рання думка про можливість відновлення енергії була зроблена Чарльзом Беннетом, де стосовно енергії, яка використовується для обчислення, він заявив: "Цю енергію можна в принципі зберегти та використати повторно ".
Визначення
Етимологія терміна «адіабатична логіка». Через другий закон термодинаміки неможливо повністю перетворити енергію в корисну роботу. Однак термін «адіабатична логіка» використовується для опису логічних сімейств, які теоретично можуть працювати без втрат. Термін «квазіадіабатична логіка» використовується для опису логіки, яка працює з меншою потужністю, ніж статична логіка КМОН, але яка все ще має деякі теоретичні неадіабатичні втрати. У обох випадках номенклатура використовується для вказівки на те, що ці системи здатні працювати з істотно меншим розсіюванням потужності, ніж традиційні статичні схеми КМОН.
Принципи
Існує кілька важливих принципів, які поширюються на всі ці малопотужні адіабатичні системи. Сюди входять лише ввімкнення вимикачів, коли різниця потенціалів між ними відсутня, вимикання виключення лише тоді, коли через них не протікає струм, і використання джерела живлення, здатного відновлювати або переробляти енергію у вигляді електричного заряду. Для цього загалом в джерелах живлення адіабатичних логічних схем використовується постійний потік зарядів (або наближення до нього), на відміну від більш традиційних неадіабатичних систем, які зазвичай використовують струм постійної напруги від джерела живлення фіксованої напруги.
Живлення
Блоки живлення адіабатичних логічних схем також використовують елементи електричних схем, здатні накопичувати енергію. Це часто робиться за допомогою індуктивностей, які накопичують енергію, перетворюючи її в магнітний потік. Існує ряд синонімів, які використовувались іншими авторами для позначення систем типу адіабатичної логіки, до них належать: «логіка з відновленням заряду», «логіка з повторним використанням заряду», «логіка, що живиться за годинником», «логіка з відновленням енергії» та «логіка з повторним використанням енергії». Через вимоги до оборотності, щоб система була повністю адіабатичною, більшість із цих синонімів насправді стосуються і можуть використовуватися як взаємозамінні для опису квазіадіабатичних систем. Ці терміни є стислими та зрозумілими, тому єдиним терміном, що вимагає подальшого пояснення, є «логічна система, що живиться за годинником». Це було використано, оскільки в багатьох адіабатичних ланцюгах використовується комбінований блок живлення і годинник, або «годинник живлення». Це змінне, як правило, багатофазне джерело живлення, яке керує роботою логіки, подаючи йому енергію і згодом відновлюючи енергію з неї.
Оскільки в КМОН відсутні індуктивності з високою добротністю, індуктивності повинні бути відключені, тому адіабатичне перемикання з дроселями обмежується конструкціями, в яких використовується лише кілька індуктивностей. Квазіадіабатична поетапна зарядка повністю уникає індуктивностей, зберігаючи відновлену енергію в конденсаторах. Поетапна зарядка може використовувати конденсатори, вбудовані в чіп.
Асинхробатична логіка, представлена в 2004 році, — це підхід до конструювання сімейства логік КМОН із використанням внутрішньої поетапної зарядки, що намагається поєднати переваги низького споживання, здавалося б, суперечливих ідей «логіки, що працює на годиннику» (адіабатичні схеми) та «схеми без годинників» (асинхронна схема).
Адіабатичні схеми КМОН
Існують деякі класичні підходи до зменшення динамічної потужності, такі як зменшення напруги живлення, зменшення фізичної ємності та зменшення комутаційної активності. Ці методи недостатньо придатні для задоволення сучасних потреб у енергії. Однак більшість досліджень зосереджені на побудові адіабатичної логіки, яка є перспективною конструкцією для застосувань з низькою потужністю.
Адіабатична логіка працює з концепцією комутації функцій, яка зменшує потужність, віддаючи накопичену енергію назад. Таким чином, термін адіабатична логіка використовується в схемах з низьким споживанням VLSI, що реалізують оборотну логіку. У цьому основні зміни конструкції зосереджені на годиннику живлення, який відіграє життєво важливу роль у принципі роботи. Кожна фаза годинника живлення дає користувачеві досягти наступних основних правил проектування адіабатичної схеми.
- Ніколи не вмикайте транзистор, якщо на ньому є напруга (VDS> 0)
- Ніколи не вимикайте транзистор, якщо через нього проходить струм (IDS ≠ 0)
- Ніколи не пропускайте струм через діод
Якщо ці умови дотримані відносно входів, у всіх чотирьох фазах годинника живлення фаза відновлення відновить енергію до такту живлення, що призведе до значної економії енергії. Проте деякі складності в адіабатичній логічній конструкції продовжуються. Наприклад, двома такими складностями є реалізація схем для змінних у часі джерел живлення, а також необхідність дотримуватися низької надлишковості у реалізації структури схем.
Є дві великі проблеми в схемах з відновленням енергії; по-перше, повільність з точки зору сучасних стандартів, по-друге, потреба на ~ 50 % більшої площі, ніж у звичайних КМОН, і ускладнення простих схем.
Реалізації
У кінці 2020 року японським дослідникам вдалося створити надпровідниковий адіабатичний мікропроцесор з надпровідника Nb/AlOLₓ/Nb з використанням методів створення інтегральних схем. Були використані некеровані пристрої з джозефсонівським контактом. Архітектура мікропроцесора - це гібрид архітектури RISC та архітектури потоків даних, що працює з 4-байтними словами даних. Продемонстровано доступ на читання та запис до регістрів, виконання арифметично-гогічних операцій, апаратне зупинення та розгалуження програм, що виконуються на частоті 100 кГц при кріогенній температурі 4,2 К. Також успішно продемонстровано високошвидкісний мікропроцесорний чіп з частотою мікропроцесорних виконавчих блоків до 2,5 ГГц. Використано логічний примітив, який називається адіабатичним квантовим потоковим параметроном (англ. adiabatic quantum-flux-parametron, AQFP), який має енергію перемикання 1,4 зДж на Дж, коли тактується чотирифазним синусоїдальним годинником на 5 ГГц при 4,2 К.
Див. також
Примітки
- Gojman, Benjamin (8 серпня 2004). (PDF). Архів оригіналу (PDF) за 20 вересня 2020. Процитовано 8 лютого 2018.
- Schrom, Gerhard (June 1998). . www.iue.tuwien.ac.at (thesis). Fakultät für Elektrotechnik, Technische Universität Wien. Adiabatic CMOS. Архів оригіналу за 20 січня 2020. Процитовано 18 березня 2018.
- Teichmann, Philip (29 жовтня 2011). . . с. 65. ISBN . Архів оригіналу за 10 грудня 2019. Процитовано 1 грудня 2020.
- Willingham, David John (2010). . westminsterresearch.wmin.ac.uk. Архів оригіналу за 5 червня 2018. Процитовано 18 березня 2018.
- Willingham, David John; Kale, I. (2004). Asynchronous, quasi-Adiabatic (Asynchrobatic) logic for low-power very wide data width applications. doi:10.1109/ISCAS.2004.1329257.
- Willingham, David John; Kale, I. (2008). A system for calculating the Greatest Common Denominator implemented using Asynchrobatic Logic. doi:10.1109/NORCHP.2008.4738310.
- Ayala, C. L.; Tanaka, T.; Saito, R.; Nozoe, M.; Takeuchi, N.; Yoshikawa, N. (2020). . IEEE Journal of Solid-State Circuits. с. 1—1. doi:10.1109/JSSC.2020.3041338. ISSN 1558-173X. Архів оригіналу за 11 січня 2021. Процитовано 26 лютого 2021.
Джерела
- Asymptotically Zero Energy Computing Using Split-Level Charge Recovery Logic [ 25 лютого 2021 у Wayback Machine.]
- Reynders, Nele; Dehaene, Wim (2015). Ultra-Low-Voltage Design of Energy-Efficient Digital Circuits. Analog Circuits And Signal Processing (ACSP) (вид. 1). Cham, Switzerland: . с. 72—74. doi:10.1007/978-3-319-16136-5. ISBN . ISSN 1872-082X. LCCN 2015935431.
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Adiabatichna shema ce elektronna shema z nizkim spozhivannyam yaka vikoristovuye oborotnu logiku dlya ekonomiyi energiyi Na vidminu vid tradicijnih shem KMON yaki rozsiyuyut energiyu pid chas peremikannya adiabatichni shemi zmenshuyut rozsiyuvannya dotrimuyuchis dvoh klyuchovih pravil Nikoli ne vmikati tranzistor koli mizh vitokom ta stokom ye napruga Nikoli ne vimikati tranzistor koli cherez nogo protikaye strum IstoriyaAdiabatichnij ce termin greckogo pohodzhennya yakij protyagom bilshoyi chastini svoyeyi istoriyi pov yazanij iz klasichnoyu termodinamikoyu Vin vidnositsya do sistemi v yakij vidbuvayetsya perehid bez vtrati energiyi zazvichaj u formi tepla sistemi abo bez otrimannya yiyi V konteksti elektronnih sistem zamist tepla zberigayetsya elektrichnij zaryad Takim chinom idealna adiabatichna shema pracyuvala b bez vtrati abo posilennya elektrichnogo zaryadu Pershe vikoristannya terminu adiabatichnij u konteksti shem shozhe prostezhuyetsya do statti predstavlenoyi v 1992 r na Second Workshop on Physics and Computation Hocha bilsh rannya dumka pro mozhlivist vidnovlennya energiyi bula zroblena Charlzom Bennetom de stosovno energiyi yaka vikoristovuyetsya dlya obchislennya vin zayaviv Cyu energiyu mozhna v principi zberegti ta vikoristati povtorno ViznachennyaEtimologiya termina adiabatichna logika Cherez drugij zakon termodinamiki nemozhlivo povnistyu peretvoriti energiyu v korisnu robotu Odnak termin adiabatichna logika vikoristovuyetsya dlya opisu logichnih simejstv yaki teoretichno mozhut pracyuvati bez vtrat Termin kvaziadiabatichna logika vikoristovuyetsya dlya opisu logiki yaka pracyuye z menshoyu potuzhnistyu nizh statichna logika KMON ale yaka vse she maye deyaki teoretichni neadiabatichni vtrati U oboh vipadkah nomenklatura vikoristovuyetsya dlya vkazivki na te sho ci sistemi zdatni pracyuvati z istotno menshim rozsiyuvannyam potuzhnosti nizh tradicijni statichni shemi KMON PrincipiIsnuye kilka vazhlivih principiv yaki poshiryuyutsya na vsi ci malopotuzhni adiabatichni sistemi Syudi vhodyat lishe vvimknennya vimikachiv koli riznicya potencialiv mizh nimi vidsutnya vimikannya viklyuchennya lishe todi koli cherez nih ne protikaye strum i vikoristannya dzherela zhivlennya zdatnogo vidnovlyuvati abo pereroblyati energiyu u viglyadi elektrichnogo zaryadu Dlya cogo zagalom v dzherelah zhivlennya adiabatichnih logichnih shem vikoristovuyetsya postijnij potik zaryadiv abo nablizhennya do nogo na vidminu vid bilsh tradicijnih neadiabatichnih sistem yaki zazvichaj vikoristovuyut strum postijnoyi naprugi vid dzherela zhivlennya fiksovanoyi naprugi ZhivlennyaBloki zhivlennya adiabatichnih logichnih shem takozh vikoristovuyut elementi elektrichnih shem zdatni nakopichuvati energiyu Ce chasto robitsya za dopomogoyu induktivnostej yaki nakopichuyut energiyu peretvoryuyuchi yiyi v magnitnij potik Isnuye ryad sinonimiv yaki vikoristovuvalis inshimi avtorami dlya poznachennya sistem tipu adiabatichnoyi logiki do nih nalezhat logika z vidnovlennyam zaryadu logika z povtornim vikoristannyam zaryadu logika sho zhivitsya za godinnikom logika z vidnovlennyam energiyi ta logika z povtornim vikoristannyam energiyi Cherez vimogi do oborotnosti shob sistema bula povnistyu adiabatichnoyu bilshist iz cih sinonimiv naspravdi stosuyutsya i mozhut vikoristovuvatisya yak vzayemozaminni dlya opisu kvaziadiabatichnih sistem Ci termini ye stislimi ta zrozumilimi tomu yedinim terminom sho vimagaye podalshogo poyasnennya ye logichna sistema sho zhivitsya za godinnikom Ce bulo vikoristano oskilki v bagatoh adiabatichnih lancyugah vikoristovuyetsya kombinovanij blok zhivlennya i godinnik abo godinnik zhivlennya Ce zminne yak pravilo bagatofazne dzherelo zhivlennya yake keruye robotoyu logiki podayuchi jomu energiyu i zgodom vidnovlyuyuchi energiyu z neyi Oskilki v KMON vidsutni induktivnosti z visokoyu dobrotnistyu induktivnosti povinni buti vidklyucheni tomu adiabatichne peremikannya z droselyami obmezhuyetsya konstrukciyami v yakih vikoristovuyetsya lishe kilka induktivnostej Kvaziadiabatichna poetapna zaryadka povnistyu unikaye induktivnostej zberigayuchi vidnovlenu energiyu v kondensatorah Poetapna zaryadka mozhe vikoristovuvati kondensatori vbudovani v chip Asinhrobatichna logika predstavlena v 2004 roci ce pidhid do konstruyuvannya simejstva logik KMON iz vikoristannyam vnutrishnoyi poetapnoyi zaryadki sho namagayetsya poyednati perevagi nizkogo spozhivannya zdavalosya b superechlivih idej logiki sho pracyuye na godinniku adiabatichni shemi ta shemi bez godinnikiv asinhronna shema Adiabatichni shemi KMONIsnuyut deyaki klasichni pidhodi do zmenshennya dinamichnoyi potuzhnosti taki yak zmenshennya naprugi zhivlennya zmenshennya fizichnoyi yemnosti ta zmenshennya komutacijnoyi aktivnosti Ci metodi nedostatno pridatni dlya zadovolennya suchasnih potreb u energiyi Odnak bilshist doslidzhen zoseredzheni na pobudovi adiabatichnoyi logiki yaka ye perspektivnoyu konstrukciyeyu dlya zastosuvan z nizkoyu potuzhnistyu Adiabatichna logika pracyuye z koncepciyeyu komutaciyi funkcij yaka zmenshuye potuzhnist viddayuchi nakopichenu energiyu nazad Takim chinom termin adiabatichna logika vikoristovuyetsya v shemah z nizkim spozhivannyam VLSI sho realizuyut oborotnu logiku U comu osnovni zmini konstrukciyi zoseredzheni na godinniku zhivlennya yakij vidigraye zhittyevo vazhlivu rol u principi roboti Kozhna faza godinnika zhivlennya daye koristuvachevi dosyagti nastupnih osnovnih pravil proektuvannya adiabatichnoyi shemi Nikoli ne vmikajte tranzistor yaksho na nomu ye napruga VDS gt 0 Nikoli ne vimikajte tranzistor yaksho cherez nogo prohodit strum IDS 0 Nikoli ne propuskajte strum cherez diod Yaksho ci umovi dotrimani vidnosno vhodiv u vsih chotiroh fazah godinnika zhivlennya faza vidnovlennya vidnovit energiyu do taktu zhivlennya sho prizvede do znachnoyi ekonomiyi energiyi Prote deyaki skladnosti v adiabatichnij logichnij konstrukciyi prodovzhuyutsya Napriklad dvoma takimi skladnostyami ye realizaciya shem dlya zminnih u chasi dzherel zhivlennya a takozh neobhidnist dotrimuvatisya nizkoyi nadlishkovosti u realizaciyi strukturi shem Ye dvi veliki problemi v shemah z vidnovlennyam energiyi po pershe povilnist z tochki zoru suchasnih standartiv po druge potreba na 50 bilshoyi ploshi nizh u zvichajnih KMON i uskladnennya prostih shem RealizaciyiU kinci 2020 roku yaponskim doslidnikam vdalosya stvoriti nadprovidnikovij adiabatichnij mikroprocesor z nadprovidnika Nb AlOLₓ Nb z vikoristannyam metodiv stvorennya integralnih shem Buli vikoristani nekerovani pristroyi z dzhozefsonivskim kontaktom Arhitektura mikroprocesora ce gibrid arhitekturi RISC ta arhitekturi potokiv danih sho pracyuye z 4 bajtnimi slovami danih Prodemonstrovano dostup na chitannya ta zapis do registriv vikonannya arifmetichno gogichnih operacij aparatne zupinennya ta rozgaluzhennya program sho vikonuyutsya na chastoti 100 kGc pri kriogennij temperaturi 4 2 K Takozh uspishno prodemonstrovano visokoshvidkisnij mikroprocesornij chip z chastotoyu mikroprocesornih vikonavchih blokiv do 2 5 GGc Vikoristano logichnij primitiv yakij nazivayetsya adiabatichnim kvantovim potokovim parametronom angl adiabatic quantum flux parametron AQFP yakij maye energiyu peremikannya 1 4 zDzh na Dzh koli taktuyetsya chotirifaznim sinusoyidalnim godinnikom na 5 GGc pri 4 2 K Div takozhOborotni obchislennya Balistichnij tranzistorPrimitkiGojman Benjamin 8 serpnya 2004 PDF Arhiv originalu PDF za 20 veresnya 2020 Procitovano 8 lyutogo 2018 Schrom Gerhard June 1998 www iue tuwien ac at thesis Fakultat fur Elektrotechnik Technische Universitat Wien Adiabatic CMOS Arhiv originalu za 20 sichnya 2020 Procitovano 18 bereznya 2018 Teichmann Philip 29 zhovtnya 2011 Springer Science amp Business Media s 65 ISBN 9789400723450 Arhiv originalu za 10 grudnya 2019 Procitovano 1 grudnya 2020 Willingham David John 2010 westminsterresearch wmin ac uk Arhiv originalu za 5 chervnya 2018 Procitovano 18 bereznya 2018 Willingham David John Kale I 2004 Asynchronous quasi Adiabatic Asynchrobatic logic for low power very wide data width applications doi 10 1109 ISCAS 2004 1329257 Willingham David John Kale I 2008 A system for calculating the Greatest Common Denominator implemented using Asynchrobatic Logic doi 10 1109 NORCHP 2008 4738310 Ayala C L Tanaka T Saito R Nozoe M Takeuchi N Yoshikawa N 2020 IEEE Journal of Solid State Circuits s 1 1 doi 10 1109 JSSC 2020 3041338 ISSN 1558 173X Arhiv originalu za 11 sichnya 2021 Procitovano 26 lyutogo 2021 DzherelaAsymptotically Zero Energy Computing Using Split Level Charge Recovery Logic 25 lyutogo 2021 u Wayback Machine Reynders Nele Dehaene Wim 2015 Ultra Low Voltage Design of Energy Efficient Digital Circuits Analog Circuits And Signal Processing ACSP vid 1 Cham Switzerland s 72 74 doi 10 1007 978 3 319 16136 5 ISBN 978 3 319 16135 8 ISSN 1872 082X LCCN 2015935431