Адиабатическая схема

Адиабатические схемы — это малой мощности электронные схемы , которые используют « обратимую логику » для сохранения энергии. ^[1] Термин « адиабатический » относится к идеальному термодинамическому процессу , в котором тепло или масса не обмениваются с окружающей средой, что указывает на способность контуров уменьшать потери энергии в виде тепла.

В отличие от традиционных КМОП- схем, которые рассеивают энергию во время переключения, адиабатические схемы уменьшают рассеивание, следуя двум ключевым правилам:

Никогда не включайте транзистор имеется потенциал напряжения , если между истоком и стоком .
Никогда не выключайте транзистор, когда через него течет ток.

Из-за второго закона термодинамики невозможно полностью преобразовать энергию в полезную работу. Однако термин «адиабатическая логика» используется для описания логических семейств, которые теоретически могут работать без потерь. Термин «квазиадиабатическая логика» используется для описания логики, которая работает с меньшей мощностью, чем статическая логика КМОП, но которая все же имеет некоторые теоретические неадиабатические потери. В обоих случаях номенклатура используется для обозначения того, что эти системы способны работать с существенно меньшим рассеиванием мощности, чем традиционные статические схемы КМОП.

История

«Адиабатика» — это термин греческого происхождения, который большую часть своей истории связан с классической термодинамикой . Это относится к системе, в которой переход происходит без потери или получения от системы энергии (обычно в форме тепла). В электронных системах сохраняется не тепло, а электронный заряд. Таким образом, идеальная адиабатическая схема будет работать без потери или увеличения электронного заряда.

Первое использование термина «адиабатический» в контексте схемотехники, по-видимому, восходит к статье, представленной в 1992 году на Втором семинаре по физике и вычислениям. Хотя более раннее предположение о возможности восстановления энергии было сделано Чарльзом Х. Беннеттом , где в отношении энергии, используемой для выполнения вычислений, он заявил: «Эту энергию в принципе можно сохранить и использовать повторно».

Принципы

Есть несколько важных принципов, которые разделяют все эти маломощные адиабатические системы. К ним относятся включение выключателей только тогда, когда между ними нет разности потенциалов, выключение выключателей только тогда, когда через них не протекает ток, и использование источника питания, способного восстанавливать или перерабатывать энергию в виде электрического заряда. Для достижения этого, как правило, в источниках питания адиабатических логических схем используется зарядка постоянным током (или его приближение), в отличие от более традиционных неадиабатических систем, которые обычно используют зарядку постоянным напряжением от источника питания с фиксированным напряжением.

Источник питания

В источниках питания адиабатических логических схем также используются схемные элементы, способные накапливать энергию. Это часто делается с помощью индукторов, которые сохраняют энергию, преобразуя ее в магнитный поток . Существует ряд синонимов, которые использовались другими авторами для обозначения систем адиабатического логического типа, в том числе: «логика восстановления заряда», «логика рециркуляции заряда», «логика с тактовым питанием», «логика восстановления энергии» и «логика с тактовым питанием». логика переработки энергии». Из-за требований обратимости для того, чтобы система была полностью адиабатической, большинство этих синонимов на самом деле относятся и могут использоваться взаимозаменяемо для описания квазиадиабатических систем. Эти термины кратки и не требуют пояснений, поэтому единственный термин, который требует дальнейшего объяснения, - это «логика, работающая от часов». Это использовалось потому, что во многих адиабатических схемах используется комбинированный источник питания и тактовый сигнал, или «силовые тактовые сигналы». Это переменный, обычно многофазный источник питания, который управляет работой логики, подавая ей энергию и впоследствии восстанавливая из нее энергию.

Поскольку катушки индуктивности с высокой добротностью недоступны в КМОП, катушки индуктивности должны быть вне кристалла, поэтому адиабатическое переключение с помощью катушек индуктивности ограничивается конструкциями, в которых используется лишь несколько катушек индуктивности. Квазиадиабатическая ступенчатая зарядка полностью исключает использование индукторов, сохраняя рекуперированную энергию в конденсаторах. ^[2]^[3] Ступенчатая зарядка (SWC) может использовать встроенные конденсаторы. ^[4]^: 26

Асинхробатическая логика, представленная в 2004 году, ^[4]^: 51 КМОП- представляет собой стиль проектирования семейства логики с использованием внутренней ступенчатой зарядки который пытается объединить преимущества малой мощности , казалось бы, противоречивых идей «логики с тактовым приводом» (адиабатических схем) и «схемы без тактовых импульсов» ( асинхронные схемы ). ^[4]^: 3^[5]^[6]

КМОП-адиабатические схемы

Существует несколько классических подходов к снижению динамической мощности, таких как снижение напряжения питания, уменьшение физической емкости и снижение коммутационной активности. Эти методы недостаточно подходят для удовлетворения сегодняшних потребностей в электроэнергии. Однако большинство исследований было сосредоточено на построении адиабатической логики, которая является многообещающей конструкцией для приложений с низким энергопотреблением.

Адиабатическая логика работает с концепцией переключения, которая снижает мощность за счет возврата накопленной энергии в источник питания. Таким образом, термин «адиабатическая логика» используется в схемах СБИС малой мощности , реализующих обратимую логику. При этом основные конструктивные изменения касаются тактовой частоты, которая играет жизненно важную роль в принципе работы. Каждая фаза силовых часов позволяет пользователю соблюдать два основных правила проектирования адиабатических схем.

Никогда не включайте транзистор, если на нем есть напряжение (VDS > 0).
Никогда не выключайте транзистор, если через него проходит ток (IDS ≠ 0).
Никогда не пропускайте ток через диод

Если эти условия касаются входов, во всех четырех фазах тактового генератора, фаза восстановления восстановит энергию тактового генератора, что приведет к значительной экономии энергии. Тем не менее, некоторые сложности в разработке адиабатической логики сохраняются. Две такие сложности, например, заключаются в том, что необходимо реализовать схемную реализацию для изменяющихся во времени источников питания и выполнить вычислительную реализацию с помощью схемных структур с низкими накладными расходами.

Существуют две большие проблемы, связанные со схемами рекуперации энергии; во-первых, медлительность по нынешним меркам, во-вторых, требует на ~50% больше площади, чем обычные CMOS ^{[ нужна ссылка ]}и простые схемы усложняются.

См. также

Обратимые вычисления - модель вычислений, в которой все процессы обратимы во времени.
Транзистор баллистического отклонения - транзистор, в котором вместо логического элемента используются электромагнитные силы.

Ссылки

^ Гойман, Бенджамин (8 августа 2004 г.). «Адиабатическая логика» (PDF) . Проверено 8 февраля 2018 г.
^ Шром, Герхард (июнь 1998 г.). «Технология КМОП со сверхнизким энергопотреблением» . www.iue.tuwien.ac.at (диссертация). Факультет электротехники Венского технологического университета. Адиабатическая КМОП . Проверено 18 марта 2018 г.
^ Тейхманн, Филип (29 октября 2011 г.). Адиабатическая логика: будущие тенденции и взгляд на системный уровень . Springer Science & Business Media . п. 65. ИСБН 9789400723450 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Уиллингем, Дэвид Джон (2010). «Асинхробатическая логика для проектирования СБИС малой мощности» . www.westminsterresearch.wmin.ac.uk . Проверено 18 марта 2018 г.
^ Уиллингем, Дэвид Джон; Кале, И. (2004). «Асинхронная, квазиадиабатическая (асинхробатическая) логика для маломощных приложений с очень широкой шириной данных». 2004 Международный симпозиум IEEE по схемам и системам (IEEE Cat. No.04CH37512) . дои : 10.1109/ISCAS.2004.1329257 . ISBN 0-7803-8251-Х . S2CID 32075489 .
^ Уиллингем, Дэвид Джон; Кале, И. (2008). «Система расчета наибольшего общего знаменателя, реализованная с использованием асинхробатической логики». Норчип, 2008 г. (PDF) . стр. 194–197. дои : 10.1109/NORCHP.2008.4738310 . ISBN 978-1-4244-2492-4 . S2CID 33419011 .

Дальнейшее чтение

Рейндерс, Неле; Деэн, Вим (2015). Проектирование энергоэффективных цифровых схем сверхнизкого напряжения . Аналоговые схемы и обработка сигналов (ACSP) (1-е изд.). Чам, Швейцария: Springer International Publishing AG, Швейцария . стр. 72–74. дои : 10.1007/978-3-319-16136-5 . ISBN 978-3-319-16135-8 . ISSN 1872-082X . LCCN 2015935431 .

Внешние ссылки

Асимптотически вычисление с нулевой энергией с использованием логики восстановления заряда разделенного уровня

[1] Гойман, Бенджамин (8 августа 2004 г.). «Адиабатическая логика» (PDF) . Проверено 8 февраля 2018 г.

[2] Шром, Герхард (июнь 1998 г.). «Технология КМОП со сверхнизким энергопотреблением» . www.iue.tuwien.ac.at (диссертация). Факультет электротехники Венского технологического университета. Адиабатическая КМОП . Проверено 18 марта 2018 г.

[3] Тейхманн, Филип (29 октября 2011 г.). Адиабатическая логика: будущие тенденции и взгляд на системный уровень . Springer Science & Business Media . п. 65. ИСБН 9789400723450 .

[willingham-4] Jump up to: ^а ^б ^с Уиллингем, Дэвид Джон (2010). «Асинхробатическая логика для проектирования СБИС малой мощности» . www.westminsterresearch.wmin.ac.uk . Проверено 18 марта 2018 г.

[5] Уиллингем, Дэвид Джон; Кале, И. (2004). «Асинхронная, квазиадиабатическая (асинхробатическая) логика для маломощных приложений с очень широкой шириной данных». 2004 Международный симпозиум IEEE по схемам и системам (IEEE Cat. No.04CH37512) . дои : 10.1109/ISCAS.2004.1329257 . ISBN 0-7803-8251-Х . S2CID 32075489 .

[6] Уиллингем, Дэвид Джон; Кале, И. (2008). «Система расчета наибольшего общего знаменателя, реализованная с использованием асинхробатической логики». Норчип, 2008 г. (PDF) . стр. 194–197. дои : 10.1109/NORCHP.2008.4738310 . ISBN 978-1-4244-2492-4 . S2CID 33419011 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]