国际创新研究期刊》的研究在科学、工程和技术
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在当今世界,芯片是增加的复杂性随着越来越多的设备被连接在一个芯片上。由于芯片的密度高,功耗增加要求更好的功率优化方法。实现功率优化的方法之一是利用可逆逻辑。它可用于低功耗CMOS设计、量子计算、纳米技术和光学计算。本文提出了一种基于可逆逻辑优化的16位二进制序列计数器使用费曼,和Fredkin盖茨。时序电路的优化实现的基础上,盖茨电路中使用的总数和总数量的垃圾产生的输出。电路设计使用节奏大师原理图编辑器
关键字 |
| 可逆逻辑电路设计使用可逆盖茨,可逆逻辑门,二进制计数器。 |
介绍 |
| 典型的计算机逻辑上不可逆转的——它的转换函数。,the partial function that maps each wholemachine state onto its successor, if the state has a successor, lacks a single-valued inverse which means models of computation which are logically irreversible lose information in the process of execution, that lost information is actually translated in the form of heat. So loss of information results in power dissipation. |
| 蓝道表明不可逆逻辑计算,每个信息擦除或扔掉,产生kTln2焦耳热能,k是玻尔兹曼常数和T的绝对温度计算[1]表示。贝内特证明kTln2能量耗散可以减少,如果计算进行可逆的方式[2],因为的能量耗散系统中有直接关系的比特数在计算过程中抹去。 |
| 房间温度,热量消散一点小即2.9×10-21 J [3]。这个散热非常减少了电路的性能和寿命。解决方案是使用革命性技术使极低功耗和热损失计算[4]。它明确表示,为减少任意电路的功耗,必须由可逆盖茨。可逆电路的低功耗CMOS VLSI设计中特别感兴趣。 |
| 戈登·摩尔于1965年观察到集成电路的性能将继续以指数速度提高的性能每单位成本增加2倍,每18个月。根据戈登·摩尔[3],缩小尺寸集成结构可以操作以更高的速度结构相同的单位面积上的力。随着越来越多的组件打包到芯片,功耗的今天电脑变得非常高。潘考夫斯基出版社。的国家[4]“每个未来科技将不得不使用可逆盖茨为了减少力量”这使得许多人追求研究领域的可逆逻辑。 |
| 根据弗兰克[5],电脑主要基于可逆逻辑运算可以重用信号能量的一小部分,理论上可以达到任意接近100%,硬件的质量改进。 |
| 可逆逻辑电路分为可逆组合和可逆的顺序电路就像传统的数字电路。根据1980年的托马索·Toffoli[6]任意逻辑函数可以实现使用可逆电路和计算工作可以通过使用这些可逆电路以同样的方式完成了传统逻辑电路,因此Toffoli门称为通用可逆门。在[6]Toffoli州,利用可逆逻辑门,理想情况下可以建立一个连续的计算机内部功耗为零。 |
| 可逆电路不丢失信息和可逆计算系统中可以只有当执行系统包括可逆的大门。可逆逻辑可能是在高速电力需求意识到电路、低功耗CMOS设计。设计可逆电路的主要挑战是减少数量的盖茨,垃圾输出延迟和量子成本。另一个重要的问题是硬件的复杂性。 |
| 可逆逻辑支持系统运行的过程中向前和向后。这意味着可逆计算可以生成输入与输出,可以停下来回到计算历史上任何时候。 |
文献调查 |
| 蓝[1]表明,对于每一个比特的信息迷失在不可逆的逻辑计算,KT ln2焦耳热能生成,k是玻尔兹曼常数和T的绝对温度计算执行。的能量耗散系统中增加的比特数成正比,在计算过程中抹去。 |
| 班尼特[2]表明,KT ln2能量耗散不会发生,如果一个可逆的方式进行计算。因此,一个可逆操作确保低能量耗散。因为在CMOS细胞损耗的能量转换的数量成正比,输出负载,工作电压的平方。能量E =½CV2存储,这种能量消散时切换发生在传统的现代CMOS技术实现(不可逆)逻辑,我们减少过渡,电容和电压[9]。有各种各样的因素,必须考虑低功耗设计包括逻辑的风格,所使用的技术和实现的逻辑。因素被证明有助于功耗包括虚假的转换由于危险和重要的竞争条件,泄漏电流和直接路径,pre-charge过渡,在未使用的电路和用电转换。 |
问题公式化 |
| 据蓝计算机不可避免地涉及到设备执行逻辑功能,有一个单值的倒数。电脑的能耗是由于逻辑上不可逆操作,信息删除或扔掉。例如,常用的门,有两个输入和一个输出,一个比特丢失信息穿过这个门,这个损失是热的形式。kT * ln 2焦耳的能量生成的每一点信息的丢失。在集成电路的设计等许多技术较低的工作电压,把电源管理和降低通道应用了场效应管的长度。然而,逻辑运算的功耗降低。但在未来,场效电晶体的大小是萎缩,我们需要找到另一种方法来降低功耗,会遇到kT的屏障。有两个有效的方法来解决这个问题,一个是减少电脑的温度,另一个是通过构建热力学可逆计算机。根据弗兰克的理论和分析,当温度降低到0 K,功耗降低了两个数量级,但实际上这不能保持常数。后来班尼特表明,可逆逻辑可以用来降低功耗。 The key point of reversible computing is that the electric charge on the storage cell consisting of transistors is not permitted to flow away when the transistor is switched. Then it can be reused through reversible computing, which can decrease the energy consumption. When there is no loss of information bits, then the system is reversible. |
可逆逻辑 |
| 可逆热力学计算的基础开始时信息处理结果表明,传统的不可逆电路不可避免地产生热量,因为在计算损失的信息。 |
| 有两个主要关系密切,特别感兴趣的类型的可逆性为此:物理可逆性和逻辑可逆性。可逆性计算意味着没有计算状态的信息丢失,所以我们可以恢复任何早期计算向后或lDl-computing结果。这称为逻辑可逆性。逻辑可逆性的好处之后才可以获得使用物理可逆性。物理可逆性是一个消散的能量加热的过程。绝对完美的物理可逆性几乎是无法实现的。计算系统散发热量从正到负当电压水平变化:从0到1。大多数做出这样的变化,给出了所需要的能量以热的形式。而不是改变电压到一个新的水平,可逆电路元素逐渐电荷从一个节点移动到下一个。这样,我们只能指望失去一分钟的能量在每个过渡。 Reversible computing strongly affects digital logic designs. Reversible logic elements are needed to recover the state of inputs from the outputs. It will impact instruction sets and high-level programming languages as well. Eventually, these will also have to be reversible to provide optimal efficiency. |
| 可逆计算提供可靠和低功率设计,高性能电路同步速度和处理能力。这提高了计算效率,可以通过构建电路从国家将减少能源节约能源。可逆计算也将导致能源效率的提高。提高可移植性的设备来减少元素原子尺寸大小。这招致更多的硬件成本,但电力成本和性能比硬件成本占主导地位。因此需要可逆计算在计算时代不容忽视。下面给出一些关于可逆逻辑因素 |
| •垃圾输出的数量(去):这是指数量的未使用的输出出现在一个可逆逻辑电路。这些垃圾输出不容忽视,因为这些非常基本实现可逆性。这些应该最小。 |
| •量子成本(QC):这是指电路的成本的一种原始的成本。它是通过了解原始的可逆逻辑门的数量计算(1 * 1或2 * 2)需要实现可逆电路。 |
| •不断输入的数量(CI):这是指输入的数量保持不变在0或1为了合成给定的逻辑功能。常数应该是最小的数量 |
| •MOSFET(晶体管):这是指MOSFET的数量用于构造整个设计。最好使用场效应管的最小数量。 |
| •总功率(TP):这指的是总功率耗散在整个设计采用CMOS逻辑操作逻辑。 |
| •延迟(D):盖茨最大数量的单位延迟传播路径的输入输出。它代表使用的可逆盖茨数量的主要输入和输出之间的可逆逻辑电路。 |
可逆逻辑门 |
| 逻辑门L是可逆的,如果对任何输出y,输入x是一个独特的存在,运用L (x) = y。如果一个门L是可逆的,有一个逆大门L′映射x y L′= x (y)。一个可逆逻辑门具有相同数量的输入和输出终端以及它们之间有一对一的映射。一门被称为可逆因为向前和向后可以执行计算。可逆门应该几乎很少的能量。然而扇出扇出是不允许可逆电路可以通过使用额外的门。在这个项目中,基本可逆门像费曼门和Fredkin门用于实现TFF门和可逆的时序电路。 |
| 答:费曼门 |
| 费曼门是一个2 * 2通过可逆门如图l。也称为控制非门(把CNOT)。输入向量是我(A, B)和输出向量是O (P, Q)。费曼门(FG)可以用作复制门。是不允许自扇出可逆逻辑,这个门是用于复制所需的输出。 |
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| Figure2显示了费曼的实现量子门。输出是由P =, = A⊕B。量子费曼门成本是l。这是一个通过门自其输入输出之一。 |
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| 图3显示了费曼的晶体管实现门。晶体管实现是完全可逆的,也就是说,给定的电路也可以工作向前以及反向操作。 |
| b . FREDKlN门 |
| 图4显示了一个3 * 3 Fredkin门。Fredkin门口是一个可逆3-bit门,互换最后两位如果第一位是1,也就是说。,controlled-swap操作。它被用作2:1 mux三个输入,一个输入作为支持。输入向量是我(A, B, C)和输出向量为0 (P, Q, R),输出是由P =定义Q = ' B⊕AC和R = 'C⊕AB。量子Fredkin成本是5门。 |
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| Figure5显示了量子Fredkin门的实现。输出是由P =定义Q = ' b⊕AC和R = 'C⊕AB。量子Fredkin成本是5门。也是一个通过门自其输入输出之一。 |
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| 图6显示的晶体管实现Fredkin门,只需要四个晶体管。在实现,输出P是直接从输入输出P是一样输入A该晶体管实现适合向前和向后计算,即在本质上,完全可逆的。Fredkin门的向前和向后计算解释道。 |
触发器实现 |
| 答:使用可逆盖茨T FF实现 |
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| TFF设计使用基本盖茨Fredkin和费曼盖茨等,实现设计与最低的晶体管。上面的设计如图7所示。Fredkin门作为2:1 mux和费曼门用于扇出2。由一个费曼XOR功能添加门。 |
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| 如表所示,当T = 0时,触发器举行。持有意味着输出,Q是保持相同的时钟边缘之前。当T = 1时,触发器进行切换,这就意味着输出Q是否定时钟边缘后,相比之前的值时钟的优势。 |
计数器实现 |
| 16位异步可逆的向上/向下计数器 |
| 可逆的实现异步和同步向上/向下计数器显示在图13 [6]。的向上/向下操作可逆电路由控制输入控制上升/下降。的操作,控制输入应该1和操作,控制输入应该是0。 |
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仿真结果 |
| 提出了电路实现和模拟使用节奏大师工具。 |
| 答:费曼门 |
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| 图9显示了费曼门的仿真结果。当= 0时,Q = B = 1时,Q = B”。 |
| b . FREDKIN门 |
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| 图10显示了Fredkin门的仿真结果。当= 0时,Q = B, C R = = 1时,Q = C, B R =。 |
| c T触发器 |
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| 图11显示了T触发器的仿真结果。当T输入高,输出将改变其状态在时钟的下降沿。 |
| d .计数器输出 |
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| 图12显示了一个16位计数器的仿真结果。它从0到216项。 |
应用程序 |
| 由于可逆逻辑有可能没有热量消散在理想条件和功耗相比更不可逆逻辑,可逆计算可能应用在计算机安全性和事务处理,但是主要的长期利益在这些地区将会感到很好需要高能源效率、速度和性能。包括该地区低功耗CMOS、量子计算机、纳米技术、光计算、设计的低功耗运算和数据路径为数字信号处理(DSP),现场可编程门阵列(fpga)为极低功率CMOS技术,高可测试性和自我修复。 |
结论 |
| 提出了16位设计异步和同步向上/向下计数器使用不可逆和可逆逻辑。可以看出可逆电路功耗不可逆电路相比,就更少了。基本可逆门在这个项目可以用于常规电路实现布尔函数。提出同步计数器的设计应用程序构建可逆ALU,可逆处理器等等。在这个项目中,一个方法的异步和同步计数器的设计直接从可逆的盖茨。这项工作形式的一个重要举措构建大型和复杂的可逆的时序电路,从而降低能耗,提高应用在低功率和纳米技术。 |
引用 |
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