Файл: Вводый курс цифровой электроники (К.Фрике, 2003).pdf

ДОПОЛНЕНИЕ

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

ЭНЕРГЕТИКА ОБРАБОТКИ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ

Д. I. Введение

Цифровал техника обрабатывает, хранит и отображает информа­ цию, необходимую А^ЛЯ решения самых разнообразных проблем. Все перечисленное производится с помощью электронных схем-полупро- водниковых интегральных схем. Неизбежной платой за производ­ ство новой информации являются затраты энергии. От того, как организованы интегральные схемы зависит, как быстро, точно и ка­ кими энергозатратами обеспечивается производство информации.

Высокие скорости и низкие энергетические затраты — это две главных цели развития элементной базы цифровой техники. Эти це­ ли достигаются за счет совершенствования системных решений ци­ фровых устройств, принципов и алгоритмов их функционирования. Другая группа средств достижения этих целей включает схемотех­ нические, структурные и топологические решения базовых логиче­ ских вентилей и элементарных переключателей.

Целью данного раздела является изложение основных идей и тех­ нических решений, являющихся теоретических основой создания ци­ фровой техники на схемотехническом и структурно-топологическом уровнях.

Д.2. Энергетика и скорость производства цифровой информации

Энергетические затраты на производство информации в цифровых системах и скорость ее производства тесно взаимосвязаны. За высо­ кие скорости приходится расплачиваться высокими затратами энер­ гии. И наоборот, сэкономить энергию можно за счет уменьшения скорости.

Дополнение

Электронные схемы логических вентилей — базовые элементы цифровых интегральных устройств с точки зрения энергетики, пред­ ставляют собой совокупность электронных компонентов, организо­ ванных в единый ансамбль электронных цепей ^\ля передачи, накоп­ ления и диссипации электрической энергии, потребляемой с внешних источников. В совокупность электронных компонентов обязатель­ но входят переключатели, управляемые входными электрическими сигналами. Эти переключатели формируют электрические цепи со­ вместно или с другими переключателями, или с пассивными компо­ нентами, с помош;ью которых двоичная цифровая информация пред­ ставляется в виде уровней напряжений (или токов) за счет потоков энергии между полосами источников питания. При смене входной информации переключатели изменяют конфигурации цепей и соот­ ветственно потоков энергии в них. При этом происходит накопление энергии в одних компонентах и ее диссипация в других.

Количество энергии, необходимое ^\ля предоставления информа­ ции и скорости накопления и диссипации энергии, определяюп],ие скоростные характеристики производства информации, определя­ ются:

-принципами действия элементарных переключателей и других компонентов вентилей;

-видами их соединения в электронных схемах вентилей и спо­ собам подключения к источникам энергии;

-способами воплоп];ения компонентов и соединений между ними

иисточниками энергии в интегральной структуре.

Эти факторы совместно определяют как количество энергии так и скорость ее потребления, необходимые для достижения определен­ ной скорости обработки информации. Они тесно взаимосвязаны и трудно однозначно четко выделить их индивидуальные вклады.

Тем не менее, если приоритет отдать энергетике производства информации, то логично вначале рассмотреть факторы, в первую очередь, определяюш;ие необходимое количество энергии. С этой це­ лью рассмотрим логические вентили как энергопотребители.

Какое количество энергии необходимо J\RR производства инфор­ мации и достаточно ^\ля этого производства с заданным быстродей­ ствием — мало ответить на этот вопрос. Надо еще разобраться, как и какими средствами этого достигнуть.

Для этого в данном разделе излагаются принципы организации электронных схем логических вентилей.

д.2. Энергетика и скорость производства цифровой информации

Воплощение схемотехнических принципов в конкретные базовые элементы цифровых схем начинается с подбора элементарных пере­ ключателей.

Этот выбор определяется прежде всего требованиями по бы­ стродействию, которые предъявляются к цифровому устройству. Скорость производства информации на уровне базового логическо­ го вентиля в основном определяется принципом действия элемен­ тарного переключателя. Поэтому в данном разделе рассмотрены основные типы переключателей, как элементы цифровых вентилей, главным образом определяющие скорость производства цифровой информации.

И, наконец, электронная схема должна быть реализована в виде интегральной структуры. От того, каким образом это будет выпол­ нено, зависит скорость производства информации и цена, которую за это надо будет заплатить. Изготовление интегральных цифровых устройств дорогостоящее дело. Поэтому требования к параметрам физической структуры, к геометрическим (топологическим) разме­ рам элементов не должна быть чрезмерно жесткими. Они должны соответствовать достигнутому уровню развития технологии. Же­ лательно решить задачу без усложнения технологии по возможности только за счет соответствующей организации конфигурации схемы соединения компонентов и подбора вида и параметров электронных ключей. То есть схемотехническим путем. Особенности структур базовых элементов, определяющие энергетику и скоростные качества базовых вентилей будут изложены в последующих разделах дополнения.

Д.2.1. Классификация вентилей как энергопотребителей

Рассматриваемая классификация в качестве классификационных при­ знаков использует свойства логических вентилей, характеризующих их энергетические характеристики.

Первым классификационных признаком в соответствии со ска­ занным выше целесообразно использовать вид источников питания, из которого цифровые схемы потребляют энергию, необходимую для производства информации. По этому признаку все виды цифро­ вых схем можно сгруппировать в три класса.

К первому классу отнесены вентили, питающиеся от традици­ онных источников электроэнергии искусственного происхождения: вторичные источники стабилизированного напряжения, батарейки, аккумуляторы и другие. Эти источники используются р,ля подавля­ ющего большинства цифровых схем.

Дополнение

Ко второму классу вентилей — энергопотребите:?1ей относятся вентили, которые ^\ля питания используют ионизирующее излуче­ ние. Широко известны логические вентили, питающиеся от света искусственных источников. Существуют также логические схемы работоспособные от солнечного света.

Они отнесены ко второму классу. К данному классу относятся также и вентили, способные использовать энергию других источ­ ников энергии. В качестве таких источников используется фоновое радиоизлучение, сейсмическая энергия вибрации стен зданий, пе­ репады атмосферного давления и другие. Вентили данного класса принципиально отличаются от вентилей предыдущего класса нали­ чием встроенных преобразователей энергии.

Известны также логические вентили, способные функциониро­ вать как от искусственных традиционных источников, так и от естественных источников энергии. Например, такие вентили могут питаться энергией солнечного света, а в его отсутствие — от тра­ диционного аккумулятора. Вентили данного третьего класса прин­ ципиально отличаются от двух предыдущих наличием специальных средств, обеспечивающих изменения режима электропитания.

Традиционные источники питания J\ля передачи энергии требу­ ют, по крайней мере, двух шин: собственно шин питания и общей шины. Шины подключаются к каждому вентилю цифрового устрой­ ства и занимают значительную часть площади кристалла. Это об­ стоятельство во многом определяет топологию интегральной схе­ мы и затрудняет внутрисхемные соединения. Большая длина шин и большая площадь шин также отрицательно сказываются на надеж­ ности устройств и плотности их упаковки. Энергетическое снаб­ жение с использованием традиционных источников является типич­ ным централизованным с присущими ему недостатками.

Любой одиночный дефект, приводящий к короткому замыканию шин питания, приводит к катастрофическому отказу устройства в целом.

Протекание токов по шинам питания обуславливает термолизацию части поставляемой источником энергии. Неизбежные потери энергии при транспорте от источника к вентилю делает принципи­ ально невозможным создание полностью адиабатических схем, то есть, схем совершенно не диссипирующих энергию.

Вторым классификационным признаком рассматриваемой клас­ сификации логично использовать характеристику вентилей-потре­ бителей, отражающую степень диссипации энергии в процессе об-

д.2. Энергетика и скорость производства цифровой информации

работки и хранения информации. Долгое время существовали логи­ ческие элементы только полностью диссипирующие потребляемую от источников питания энергию. Электрическая энергия, поставля­ емая как искусственными, так и естественными источниками элек­ тропитания в процессе производства информации диссипировалась полностью, превращаясь в тепло, выделяемое на резистивных эле­ ментах конструкции цифровых устройств. Это порождало большие проблемы теплоотвода. Сравнительно недавно появились новые ви­ ды вентилей и логических схем, принципиально отличающиеся от упомянутых выше. Появились логические схемы лишь частично дис­ сипирующие энергию, потребляемую от источника в процессе про­ изводства информации. В цифровых схемах данного вида энергия диссипируется лишь часть энергии поставляемой источником, дру­ гая же часть — обратно возвращается в источник питания и исполь­ зуется повторно. Схемы данного вида имеют качественные отличия от широко используемых традиционных схем, обуславливающие их несомненные достоинства в экономичности.

Изложенное выше иллюстрируется верхним фрагментом класси­ фикационной диаграммы, приведенной на рис. Д.2.1.

В нижнем ряду классификационной диаграммы представлены виды схемотехнических воплощений логических вентилей. Схемо­ технические виды отличаются способами представления двоичной информации и способами ее обработки. Именно от того, как пред­ ставляется и обрабатывается информация, зависит энергетика ло­ гических вентилей. Полностью диссипируюпще энергию вентили пред­ ставлены тремя видами: так называемыми схемами с отношением, схемами без отношения и схемами типа переключателей тока. Эти виды схемотехнических решений потребляют энергию, как прави­ ло, от традиционных источников, реже — от излучения. В процессе производства информации эти виды вентилей полностью диссипируют потребляемую энергию.

Всхемах с отношением при производстве информации уровень логического «О» формируется за счет падения напряжения на рези­ сторе. При этом транспорт энергии от источника энергопитания сопровождается ее диссипацией.

Всхемах без отношения уровень логической «1» формируется пу­ тем накопления энергии на паразитной выходной емкости. В процес­ се транспорта энергии от источника энергопитания к накопителю имеет место ее диссипация на резистивных элементах. Однако, при некоторых уровнях потери энергии можно значительно уменьшить.