miniatura|Fotografia d'un xip construït per D-Wave Systems Inc. dissenyat per funcionar com un processador d'optimització quàntica adiabàtica superconductor de 128 qubits, muntat en un portamostres. Els circuits adiabàtics són circuits electrònics de baixa potència que utilitzen "lògica reversible" per conservar energia. El terme "adiabàtic" fa referència a un procés termodinàmic ideal en què no s'intercanvia calor ni massa amb l'entorn circumdant, fent al·lusió a la capacitat dels circuits per reduir la pèrdua d'energia en forma de calor.

A diferència dels circuits CMOS tradicionals, que dissipen energia durant la commutació, els circuits adiabàtics redueixen la dissipació seguint dues regles clau:

No engegueu mai un transistor quan hi hagi un potencial de voltatge entre la font i el drenador. No apagueu mai un transistor quan hi circula corrent.

A causa de la segona llei de la termodinàmica, no és possible convertir completament l'energia en treball útil. Tanmateix, el terme "lògica adiabàtica" s'utilitza per descriure famílies lògiques que teòricament podrien funcionar sense pèrdues. El terme "lògica quasiadiabàtica" s'utilitza per descriure la lògica que funciona amb una potència inferior a la lògica CMOS estàtica, però que encara té algunes pèrdues teòriques no adiabàtiques. En ambdós casos, la nomenclatura s'utilitza per indicar que aquests sistemes són capaços de funcionar amb una dissipació de potència substancialment menor que els circuits CMOS estàtics tradicionals.

Història "Adiabàtic" és un terme d'origen grec que ha passat la major part de la seva història associat a la termodinàmica clàssica. Es refereix a un sistema en què es produeix una transició sense que es perdi ni es guanyi energia (generalment en forma de calor). En el context dels sistemes electrònics, en lloc de la calor, es conserva la càrrega electrònica. Per tant, un circuit adiabàtic ideal funcionaria sense la pèrdua o el guany de càrrega electrònica.

El primer ús del terme "adiabàtic" en el context dels circuits sembla que es remunta a un article presentat el 1992 al Segon Taller de Física i Computació. Tot i que Charles H. Bennett va fer un suggeriment anterior sobre la possibilitat de recuperació d'energia, on, en relació amb l'energia utilitzada per realitzar càlculs, va afirmar que "Aquesta energia, en principi, es podria estalviar i reutilitzar".

Principis Hi ha diversos principis importants que comparteixen tots aquests sistemes adiabàtics de baixa potència. Aquests inclouen només encendre els interruptors quan no hi ha cap diferència de potencial entre ells, només apagar els interruptors quan no hi flueix corrent i utilitzar una font d'alimentació capaç de recuperar o reciclar energia en forma de càrrega elèctrica. Per aconseguir-ho, en general, les fonts d'alimentació dels circuits lògics adiabàtics han utilitzat càrrega de corrent constant (o una aproximació a aquesta), a diferència dels sistemes no adiabàtics més tradicionals que generalment han utilitzat càrrega de voltatge constant des d'una font d'alimentació de voltatge fix.

Font d'alimentació Les fonts d'alimentació dels circuits lògics adiabàtics també han utilitzat elements de circuit capaços d'emmagatzemar energia. Això sovint es fa mitjançant inductors, que emmagatzemen l'energia convertint-la en flux magnètic. Hi ha diversos sinònims que altres autors han utilitzat per referir-se a sistemes de tipus lògic adiabàtic, com ara: "lògica de recuperació de càrrega", "lògica de reciclatge de càrrega", "lògica alimentada per rellotge", "lògica de recuperació d'energia" i "lògica de reciclatge d'energia". A causa dels requisits de reversibilitat perquè un sistema sigui completament adiabàtic, la majoria d'aquests sinònims en realitat es refereixen, i es poden utilitzar indistintament, per descriure sistemes quasi adiabàtics. Aquests termes són succints i autoexplicatius, de manera que l'únic terme que justifica una explicació més detallada és "lògica alimentada per rellotge". Això s'ha utilitzat perquè molts circuits adiabàtics utilitzen una font d'alimentació i un rellotge combinats, o un "rellotge de potència". Es tracta d'una font d'alimentació variable, generalment multifàsica, que controla el funcionament de la lògica subministrant-li energia i, posteriorment, recuperant-ne energia.

Com que els inductors d'alta Q no estan disponibles en CMOS, els inductors han de ser fora del xip, de manera que la commutació adiabàtica amb inductors es limita a dissenys que només utilitzen uns quants inductors. La càrrega gradual quasiadiabàtica evita completament els inductors emmagatzemant l'energia recuperada en condensadors. La càrrega gradual (SWC) pot utilitzar condensadors integrats en el xip.

Lògica asíncrobàtica, introduïda el 2004,és un estil de disseny de la família de lògiques CMOS que utilitza la càrrega interna gradual que intenta combinar els beneficis de baix consum de les idees aparentment contradictòries de la "lògica alimentada per rellotge" (circuits adiabàtics) i els "circuits sense rellotges" (circuits asíncrons).

Circuits adiabàtics CMOS Hi ha alguns enfocaments clàssics per reduir la potència dinàmica, com ara reduir la tensió de subministrament, disminuir la capacitància física i reduir l'activitat de commutació. Aquestes tècniques no són prou adequades per satisfer els requisits de potència actuals. Tanmateix, la majoria de la recerca s'ha centrat en la construcció de lògica adiabàtica, que és un disseny prometedor per a aplicacions de baixa potència.

La lògica adiabàtica funciona amb el concepte d'activitats de commutació que redueixen la potència retornant l'energia emmagatzemada a la font d'alimentació. Per tant, el terme lògica adiabàtica s'utilitza en circuits VLSI de baixa potència que implementen lògica reversible. En aquest cas, els principals canvis de disseny se centren en el rellotge de potència, que juga un paper vital en el principi de funcionament. Cada fase del rellotge de potència permet a l'usuari assolir les dues regles de disseny principals per al disseny de circuits adiabàtics.

No engegueu mai un transistor si hi ha una tensió a través d'ell (V DS > 0) No apagueu mai un transistor si hi passa corrent (I DS ≠ 0) No deixeu mai passar corrent a través d'un díode

Si aquestes condicions respecte a les entrades, en les quatre fases del rellotge de potència, la fase de recuperació restaurarà l'energia al rellotge de potència, cosa que resultarà en un estalvi d'energia considerable. Tot i això, algunes complexitats en el disseny de la lògica adiabàtica es perpetuen. Dues d'aquestes complexitats, per exemple, són la implementació de circuits per a fonts d'alimentació variables en el temps i la implementació computacional mitjançant estructures de circuits de baixa sobrecàrrega.

Hi ha dos grans reptes dels circuits de recuperació d'energia; primer, la lentitud en termes dels estàndards actuals, i segon, requereix ~50% més d'àrea que el CMOS convencional, i els dissenys de circuits simples es compliquen.

Referències

Categoria:Circuits electrònics