Adiabatický obvod - Adiabatic circuit

Adiabatické obvody jsou nízký výkon obvody, které používají „reverzibilní logiku“ k úspoře energie.[1]

Na rozdíl od tradičních CMOS obvody, které během spínání rozptylují energii, adiabatické obvody snižují rozptyl pomocí dvou klíčových pravidel:

  • Nikdy nezapínejte a tranzistor když existuje napěťový potenciál mezi zdroj a vypustit.
  • Nikdy nevypínejte tranzistor, když jím protéká proud.

Dějiny

„Adiabatický“ je výraz řeckého původu, který strávil většinu své historie spojenou s klasikou termodynamika. Vztahuje se na systém, ve kterém dochází k přechodu bez ztráty energie nebo její získání (obvykle ve formě tepla) ze systému. V kontextu elektronických systémů je zachován elektronický náboj, nikoli teplo. Ideální adiabatický obvod by tedy fungoval bez ztráty nebo zisku elektronického náboje.

První použití termínu „adiabatické“ v kontextu obvodů se jeví jako navazující na článek představený v roce 1992 na druhém workshopu o fyzice a výpočtu. Ačkoli dřívější návrh možnosti obnovení energie byl vyroben uživatelem Charles H. Bennett kde ve vztahu k energii použité k provedení výpočtu uvedl: „Tuto energii lze v zásadě uložit a znovu použít“.

Definice

Etymologie pojmu „adiabatická logika“. Z důvodu druhý zákon termodynamiky, není možné úplně přeměnit energii na užitečnou práci. Termín „adiabatická logika“ se však používá k popisu logických rodin, které by teoreticky mohly fungovat bez ztrát. Termín „kvazi-adiabatická logika“ se používá k popisu logiky, která pracuje s nižším výkonem než statická logika CMOS, ale která má stále určité teoretické neadiabatické ztráty. V obou případech se nomenklatura používá k označení, že tyto systémy jsou schopné provozu s podstatně menším ztrátovým výkonem než tradiční statické obvody CMOS.

Zásady

Existuje několik důležitých principů, které sdílejí všechny tyto nízkoenergetické adiabatické systémy. Patří mezi ně pouze zapnutí spínačů, když mezi nimi není žádný potenciální rozdíl, pouze vypnutí spínačů, když jimi neprotéká žádný proud, a použití napájecího zdroje, který je schopen obnovit nebo recyklovat energii ve formě elektrického náboje. K dosažení tohoto cíle obecně napájecí zdroje adiabatických logických obvodů používají nabíjení konstantním proudem (nebo jeho přibližnou hodnotu), na rozdíl od tradičnějších neadiabatických systémů, které obecně používají nabíjení konstantním napětím z napájecího zdroje s pevným napětím.

Zdroj napájení

Napájecí zdroje adiabatických logických obvodů také využívaly prvky obvodu schopné akumulovat energii. To se často provádí pomocí induktorů, které ukládají energii tím, že ji přeměňují na magnetický tok. Existuje celá řada synonym, která byla použita jinými autory k označení systémů adiabatického logického typu, mezi ně patří: „logika obnovy nabíjení“, „logika recyklace nabíjení“, „logika napájená hodinami“, „logika rekuperace energie“ a „ logika recyklace energie ". Z důvodu požadavků na reverzibilitu, aby byl systém plně adiabatický, se většina těchto synonym ve skutečnosti vztahuje k popisu kvaziadiabatických systémů a lze je použít zaměnitelně. Tyto termíny jsou stručné a samozřejmé, takže jediný termín, který vyžaduje další vysvětlení, je „logika využívající hodiny“. Toto bylo použito, protože mnoho adiabatických obvodů používá kombinovaný napájecí zdroj a hodiny, nebo „power-clock“. Jedná se o proměnný, obvykle vícefázový napájecí zdroj, který řídí činnost logiky dodáváním energie do ní a následným získáváním energie z ní.

Vzhledem k tomu, že v CMOS nejsou k dispozici induktory s vysokým Q, musí být induktory mimo čip, takže adiabatické přepínání s induktory je omezeno na konstrukce, které používají pouze několik induktorů. Kvaziadiabatické postupné nabíjení se induktorům zcela vyhýbá ukládáním zpětně získané energie do kondenzátorů.[2][3]Krokové nabíjení (SWC) může používat kondenzátory na čipu.[4]:26

Asynchrobatická logika, zavedená v roce 2004,[4]:51je CMOS logická rodina styl designu využívající interní postupné nabíjení, které se pokouší kombinovat nízký výkon výhody zdánlivě protichůdných myšlenek na „logiku poháněnou hodinami“ (adiabatické obvody) a „obvody bez hodin“ (asynchronní obvody ).[4]:3[5][6]

Adiabatické obvody CMOS

Existuje několik klasických přístupů ke snížení dynamického výkonu, jako je snížení napájecího napětí, snížení fyzické kapacity a snížení spínací aktivity. Tyto techniky nejsou dostatečně vhodné, aby splňovaly dnešní požadavky na výkon. Většina výzkumů se však zaměřila na budování adiabatické logiky, což je slibný design pro aplikace s nízkou spotřebou.

Adiabatická logika pracuje s konceptem spínacích činností, které snižují výkon tím, že ukládají uloženou energii zpět do napájení. Termín adiabatická logika se tedy používá při nízkém výkonu VLSI obvody, které implementují reverzibilní logiku. V tomto jsou hlavní konstrukční změny zaměřeny na výkonové hodiny, které hrají zásadní roli v principu činnosti. Každá fáze hodin napájení umožňuje uživateli dosáhnout dvou hlavních konstrukčních pravidel pro návrh adiabatického obvodu.

  • Nikdy nezapínejte tranzistor, pokud je na něm napětí (VDS> 0)
  • Nikdy nevypínejte tranzistor, pokud jím prochází proud (IDS ≠ 0)
  • Nikdy neprocházejte proud diodou

Pokud tyto podmínky s ohledem na vstupy ve všech čtyřech fázích hodin napájení obnoví fáze obnovy energii do hodin napájení, což povede ke značné úspoře energie. Některé složitosti v adiabatickém logickém designu však přetrvávají. Dvě takové složitosti jsou například implementace obvodu pro časově proměnné zdroje energie a je třeba dodržovat výpočetní implementaci strukturami obvodů s nízkou režií.

Obvody s rekuperací energie představují dvě velké výzvy; za prvé, pomalost ve smyslu dnešních standardů, za druhé vyžaduje ~ 50% větší plochy než u konvenčních CMOS a jednoduché obvody se komplikují.

Viz také

Reference

  1. ^ Gojman, Benjamin (08.08.2004). „Adiabatická logika“ (PDF). Citováno 2018-02-08.
  2. ^ Schrom, Gerhard (červen 1998). „Technologie CMOS s extrémně nízkou spotřebou“. www.iue.tuwien.ac.at (teze). Fakultät für Elektrotechnik, Technische Universität Wien. Adiabatický CMOS. Citováno 2018-03-18.
  3. ^ Teichmann, Philip (29.10.2011). Adiabatická logika: Budoucí trend a perspektiva na úrovni systému. Springer Science & Business Media. str. 65. ISBN  9789400723450.
  4. ^ A b C Willingham, David John (2010). „Asynchrobatická logika pro nízkonapěťový design VLSI“. westminsterresearch.wmin.ac.uk. Citováno 2018-03-18.
  5. ^ Willingham, David John; Kale, I. (2004). Asynchronní, kvazi-adiabatická (asynchrobatická) logika pro aplikace s nízkou spotřebou a velmi širokou šířkou dat. doi:10.1109 / ISCAS.2004.1329257.
  6. ^ Willingham, David John; Kale, I. (2008). Systém pro výpočet největšího společného jmenovatele implementovaný pomocí asynchrobatické logiky. doi:10.1109 / NORCHP.2008.4738310.

Další čtení

externí odkazy