eng
Выпуск #4/2010
П.Ившин, С.Леготин, В.Мурашёв.
Базовые троичные логические элементы. Снижение энергопотребления
Базовые троичные логические элементы. Снижение энергопотребления
Просмотры: 15777
Большинство цифровых электронных устройств для обработки, передачи и хранения информации кодируют ее с помощью двоичной системы счисления. Управление в таких устройствах производится с использованием двоичной логики. Однако данный способ работы с информацией – не оптимальный и не единственный, самой эффективной системой счисления, пригодной для представления информации, представляется система с основанием, равным числу Эйлера [1,2]. Ближайшее к данному числу целое число – это 3, отсюда следует, что оптимальной системой счисления с целым основанием является троичная система. Троичный сигнал при передаче данных несет более чем в 1,6 раза больше информации, чем двоичный, а запоминающее устройство с троичными ячейками сохраняет в 1,6 раза больше данных, чем двоичное запоминающее устройство с тем же количеством ячеек [3].
Симметричная троичная система счисления (имеющая три цифры, например + 1, 0 и -1) дает следующие ее преимущества. Отрицательные числа в этой системе представляются так же естественно, как и положительные: не нужно выделять место под специальный знаковый разряд. Операции с отрицательными числами проводятся без предварительных операций (приведение к обратному или дополнительному коду, как в случае операций с отрицательными числами в двоичной системе). Кроме того, троичные числа проще сравнивать и округлять, чем двоичные.
Что касается троичной логики, то при ее применении в управлении вычислительной машиной операции ветвления, счета и умножения производятся эффективнее, чем при использовании двоичной логики [1]. Некоторые исследователи, в том числе создатель первой практической ЭВМ, работающей с троичной системой, Н.П.Брусенцов, считают, что применение троичной логики поможет приблизиться к решению проблемы создания искусственного интеллекта [4].
Элементной базой для ЭВМ "Сетунь" с троичной логикой были феррит-диодные элементы [3]. Однако в конце 1960-х годов, когда и была создана ЭВМ "Сетунь", начала интенсивно развиваться полупроводниковая электроника, на базе которой легко реализуются устройства, работающие с двоичной системой счисления. Полупроводниковая электроника позволила создать устройства, на порядок превосходящие по быстродействию и энергетической экономичности логические устройства на ферритовой и другой элементной базе. Вследствие этого, а также в связи со стремлением к унификации вычислительных машин работа над недвоичными вычислительными машинами в 1960–1970-х годах практически прекратилась.
В 1980–1990-х годах предпринимались попытки создать устройства троичной логики на полупроводниковой элементной базе, например на лямбда-диодах, биполярных транзисторах [5–7]. Существенно позднее стали создавать троичные логические элементы на традиционной элементной базе КМОП и по стандартной технологии [8]. Однако предложеннные схемы потребляли энергию в статическом режиме, поэтому были малопривлекательными для многих применений. Некоторым разработчикам удалось улучшить энергодинамические характеристики КМОП-схем [9–14] – их схемы были способны работать в симметричной троичной системе. Однако недостатки этих схем – сложность (большое число транзисторов в логическом элементе) и применение транзисторов с повышенными значениями пороговых напряжений – с одной стороны, создавали технологические трудности при изготовлении ИС на основе таких элементов, а, с другой, снижали быстродействие и повышали энергопотребление в динамическом режиме работы.
Одной из важнейших характеристик элементной базы вычислительной техники является потребление энергии одним вентилем (удельная рассеиваемая мощность). Поскольку на кристалле сложной интегральной схемы, например процессора или запоминающего устройства, могут находиться несколько миллионов и более элементов, необходимо, чтобы энергопотребление как в статическом, так и в динамическом режиме работы было минимальным.
Рассмотрим подробнее базовые элементы троичной логики. Троичный сигнал может быть закодирован разными способами, в частности различными уровнями напряжения или тока, в симметричном (-1, 0, +1) или несимметричном (0, 1, 2) виде, с использованием двоичной системы, с передачей сигнала по одному или нескольким проводам, с фазовым или частотным кодированием и т.д. В схемах, рассматриваемых в статье, применено "естественное" кодирование троичного сигнала в симметричной системе тремя уровнями напряжений. Троичный сигнал передается по одному проводу. Для кодирования логического нуля используется нулевое напряжение относительно общей точки ("земли"), для кодирования логической "-1" – отрицательное напряжение, а для логической "+1" – положительное. Таким образом, для питания троичных логических элементов нужен симметричный источник питания с тремя выводами.
Электрическая схема базового одновходового элемента- повторителя (буфера) с 10 транзисторами, предложенная авторами данной работы, представлена на рис.1, а на рис.2 – ближайший ее аналог [11].
Для построения макета предлагаемого троичного элемента использовались транзисторные сборки IRF7105, содержащие один n-канальный и один p-канальный МОП-транзистор с индуцированным каналом [15]. В схему аналога включены МОП-транзисторы с индуцированным каналом, имеющие вывод подложки, поэтому для макетирования элемента по этой схеме применялись транзисторные сборки HEF4007UB (рис.3), которые допускают подключение к подложкам транзисторов [16].
Времена задержки при прохождении импульса и потребление тока элементами исследовались на различных частотах. Так как логические элементы имеют один вход и один выход, то для измерения характеристик необходимы:
генератор импульсов для задания формы и частоты входного сигнала;
двухканальный осциллограф для контроля входного сигнала и снятия выходного сигнала с целью определения времени задержки;
амперметр для измерения потребляемого элементами тока.
В качестве генератора и осциллографа был применен сетевой комбинированный прибор ОСЦИГЕН (рис.4) [17]. Прибор содержит двухканальный генератор сигнала с возможностью задания произвольной формы импульсов, а также двухканальный осциллограф. ОСЦИГЕН не имеет собственного устройства отображения информации и органов управления, и для его настройки и снятия данных используется IBM-совместимый персональный компьютер, подключаемый по интерфейсу USB или по локальной сети Ethernet. При подключении по Ethernet обеспечивается оптронная гальваническая развязка прибора и сетевого оборудования с гарантированным напряжением изоляции 1500 В [18]:
В качестве амперметра использовался цифровой мультиметр MASTECH M9502, точность измерения которого в диапазоне до 20 мА составляет 0,8 % [19].
Сигнал, вырабатываемый генератором, подается с выхода C на вход логического элемента и на вход осциллографа A в целях контроля. Сигнал с выхода элемента поступает на вход B. Токи измеряются амперметром, который включается в цепь источника питания положительного или отрицательного напряжения (рис.5). Ток измеряют в двух цепях; общий потребляемый ток складывается из двух измеренных.
Измерения на макете проводятся с использованием дискретных элементов с высоким напряжением питания, поэтому важны не абсолютные значения токов потребления (которые будут в сотни раз больше, чем при испытании кристалла интегральной схемы, изготовленной по современной технологии), а относительная величина, показывающая, насколько больше тока потребляет троичный элемент, чем двоичный, собранный с применением тех же компонентов, т.е. отношение потребляемого тока троичного элемента к потребляемому току двоичного элемента.
Такой метод измерения позволит также выяснить, какой из вариантов троичных базовых элементов экономичнее в случае, когда разные варианты собраны с использованием разных компонентов.
Чтобы выявить преимущества и недостатки существующего и предлагаемого элементов, их сравнили с двоичными инверторами, собранными на тех же компонентах, что и троичные элементы (HEF4007UB для существующего элемента и IRF7105 для предлагаемого элемента), а затем проанализировали полученные относительные результаты. Схема эксперимента с двоичным инвертором для сравнения с предлагаемым элементом отличается от схемы, приведенной на рис.5, в ней отсутствует отрицательный полюс питания и амперметр в соответствующей цепи.
Для испытания троичных схем использовался ступенчатый сигнал (рис.6), в нем напряжение циклически принимает значения, соответствующие всем трем логическим уровням, время и напряжение нормированы. В действительности величина напряжения составляла от -5 до 5 В, период импульса изменялся с изменением частоты. Время переключения между соседними логическими уровнями составляет 1/48 от периода импульса.
Для испытания двоичных инверторов в целях сравнения на вход инверторов подавались прямоугольные импульсы с амплитудой 5 В и различной частотой.
Сравнение и анализ энергодинамических характеристик проводили на макете с использованием низкочастотных транзисторов. Это было сделано для удобства эксперимента, поэтому задаваемые частоты не превышали 1,6 МГц, что обеспечивало четкое функционирование всех схем.
Выяснилось, что ток потребления двоичного инвертора на начальном участке кривой с увеличением частоты входного сигнала возрастает.
Спадающий участок кривой на графике обусловлен тем, что на высоких частотах транзисторы не успевают открываться, т.е. находятся в полузакрытом состоянии, их каналы имеют высокое сопротивление, и через инвертор проходят меньшие токи.
Для сравнения будем брать только возрастающий линейный участок зависимости тока потребления от частоты (рис.7, прямая "двоичный инвертор"), где инвертор работает в нормальном режиме.
Токи, измеренные амперметром в положительной и отрицательной цепях, обозначены на графике как "Ток+" и "Ток-" соответственно.
Видно, что троичный элемент потребляет ток, более чем в три раза больший, чем двоичный.
Сравнение логического элемента, предложенного авторами работы (см. рис.1), с соответствующим двоичным инвертором, основанное на предположении, что у троичного элемента существует небольшой ток утечки при нулевой частоте (производится линейная аппроксимация зависимости тока от частоты к выражению вида y = a · x + b), приведено на рис.8.
Сравнение логического элемента, предложенного авторами работы (см. рис.1), с соответствующим двоичным инвертором, основанное на предположении, что у троичного элемента существует небольшой ток утечки при нулевой частоте (производится линейная аппроксимация зависимости тока от частоты к выражению вида y = a · x + b), приведено на рис.8.
Сравним динамические характеристики существующего и предлагаемого элементов. Узнать, насколько данный троичный элемент потребляет тока больше, чем двоичный инвертор, можно, установив отношения выражений аппроксимации зависимостей потребляемого тока троичного элемента и двоичного инвертора, которые могут быть записаны как
– для существующего троичного элемента;
– для предлагаемого троичного элемента.
Значения K1 (f) и K2 (f) показывают, насколько больший ток при данной частоте f потребляют существующий и предлагаемый элементы, чем инверторы, собранные на той же элементной базе. Чем ближе данные значения к единице, тем ближе ток потребления троичного элемента к току потребления двоичного инвертора, т.е. тем экономичнее данный троичный элемент.
Построим графики данных функций (рис.9) в пределах допустимых для всех логических элементов значений частот, а именно – до 1,6 МГц, так как при больших значениях элемент [11] не переключается из состояния "+1" в состояние "0", и линейная аппроксимация зависимости потребляемого тока от частоты утрачивает смысл.
Из графика видно, что предлагаемый элемент в данном диапазоне частот более экономичным является предлагаемый элемент, нежели существующий. Вообще, в пределе K1 (f) меньше, чем K2 (f):
однако точка пересечения графиков (точка равного относительного энергопотребления) находится за пределами области правильной работы существующего троичного элемента (f = 1,745 МГц, К = 3,0662).
В заключение можно сказать, что новый троичный базовый элемент, предложенный авторами, по энергодинамическим характеристикам и степени интеграции превосходит существующие аналоги и может быть реализован на основе стандартной КМОП-технологии. Несмотря на то, что троичные логические элементы на КМОП-элементной базе примерно в три раза уступают по интеграции и энергодинамике двоичным аналогам, разработанная троичная элементная база на основе КМОП-технологии может применяться уже сегодня в устройствах связи, вычислительной и измерительной техники. Представляется возможным и крайне важным создание наноразмерных логических элементов на основе одноэлектронных квантовых приборов, имеющих три и более квантовых состояния. Вычислительная техника, построенная на основе троичных наноразмерных квантовых приборов, будет иметь кардинальные преимущества по сравнению с современной двоичной вычислительной техникой. И конечно, необходимо искать более эффективные технические решения в области троичной логики, основанные на традиционных технологиях.
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России"
на 2009–2013 годы (Госконтракт П1056 от 20.08.09)
Литература
1. Brian Hayes. – Third Base.American Scientist, November-December 2001, v. 89, № 6, p. 490–494.
2. Фомин С.В. Системы счисления. – М.: Наука, 1987, –48 с. (Сер. "Популярные лекции по математике", вып. 40).
3. Брусенцов Н.П. Опыт разработки троичной вычислительной машины. – Вестн. Моск. Ун-та. Сер. I, Математика, механика, 1965, № 2, с. 39–48.
4. Брусенцов Н.П. Начала информатики. – М.: Фонд "Новое тысячелетие", 1994–176 с.
5. А.с. 1095409 СССР. Многоустойчивый полупроводниковый прибор / А. Т. Корабельников. Заявл. 14.10.1982, опубл. 30.05.1984.
6. Пат. 3060330 США. Three-level inverter circuit (Схема трехуровневого инвертора) / K.M. Trampel. Заявл. 02.02.1961, опубл. 23.10.1962.
7. А.с. 813792 СССР. Элемент трехзначной логики / В.В. Бугаенко, В.И. Корнейчук, О.В. Масленников, В.П. Тарасенко и Я.И. Торошанко. Заявл. 23.04.1979, опубл. 15.03.1981.
8. Пат. 1563821 Великобритания. Ternary logic circuits with CMOS Devices (Троичные логические схемы с КМОП-приборами) / Hussein Talaat Mouftah.Заявл. 19.03.1976, опубл. 02.04.1980.
9. А.с. 1707757 СССР. Троичный дизъюнктор на МОП-транзисторах / А.Н. Кушниренко. Заявл. 27.07.1987, опубл. 23.01.1992.
10. Пат. 19832101 Германия. Realisierung Ternärer Grundschaltungen in CMOS Technologie (Реализация троичных базовых схем в КМОП-технологии), Josef von Stackelberg. Заявл. 17.07.1998, опубл. 27.01.2000
11. Пат. 2005080257 Япония. Симосу дорайба кайро оёби симосу инба:та кайро (Схема КМОП-драйвера, а также схема КМОП-инвертора) / Хидэки Фукуда. Заявл. 04.09.2003, опубл. 24.03.2005.
12. Пат. 2278469 Р.Ф. Логическое устройство "ИЛИ" / Попов Н.Д., Лукашенко В.А. Заявл. 01.11.2004, опубл. 20.06.2006.
13. Пат. 2287895 Р.Ф. Логическое устройство "Отрицание" (варианты) / Попов Н.Д., Лукашенко В.А. Заявл. 01.11.2004, опубл. 20.06.2006.
14. Пат. 2281605 Российская Федерация. Логическое устройство "И" / Попов Н.Д., Лукашенко В.А. Заявл. 01.11.2004, опубл. 10.08.2006.
15. IRF7105 HEXFET® Power MOSFET. – International Rectifier, 2003.
16. HEF4007UB gates. Dual complementary pair and inverter Data Sheet. – Philips Semiconductors, January 1995.
17. Сетевой комбинированный прибор ОСЦИГЕН. Руководство по эксплуатации 54323649.40 1850 9 РЭ. ЗАО "Научно-производственное объединение РТК". – СПб., 2008.
18. Сетевой комбинированный прибор ОСЦИГЕН. Паспорт 54323649.40 1850 9 ПС. ЗАО "Научно-производственное объединение РТК". – СПб., 2008.
19. M9502 Digital Multimeter. Precision MASTECH Enterprises Co. — URL: http://www.p-mastech.com/products/04_dm/m9502.html. Дата обращения: 30.06.2010.
Что касается троичной логики, то при ее применении в управлении вычислительной машиной операции ветвления, счета и умножения производятся эффективнее, чем при использовании двоичной логики [1]. Некоторые исследователи, в том числе создатель первой практической ЭВМ, работающей с троичной системой, Н.П.Брусенцов, считают, что применение троичной логики поможет приблизиться к решению проблемы создания искусственного интеллекта [4].
Элементной базой для ЭВМ "Сетунь" с троичной логикой были феррит-диодные элементы [3]. Однако в конце 1960-х годов, когда и была создана ЭВМ "Сетунь", начала интенсивно развиваться полупроводниковая электроника, на базе которой легко реализуются устройства, работающие с двоичной системой счисления. Полупроводниковая электроника позволила создать устройства, на порядок превосходящие по быстродействию и энергетической экономичности логические устройства на ферритовой и другой элементной базе. Вследствие этого, а также в связи со стремлением к унификации вычислительных машин работа над недвоичными вычислительными машинами в 1960–1970-х годах практически прекратилась.
В 1980–1990-х годах предпринимались попытки создать устройства троичной логики на полупроводниковой элементной базе, например на лямбда-диодах, биполярных транзисторах [5–7]. Существенно позднее стали создавать троичные логические элементы на традиционной элементной базе КМОП и по стандартной технологии [8]. Однако предложеннные схемы потребляли энергию в статическом режиме, поэтому были малопривлекательными для многих применений. Некоторым разработчикам удалось улучшить энергодинамические характеристики КМОП-схем [9–14] – их схемы были способны работать в симметричной троичной системе. Однако недостатки этих схем – сложность (большое число транзисторов в логическом элементе) и применение транзисторов с повышенными значениями пороговых напряжений – с одной стороны, создавали технологические трудности при изготовлении ИС на основе таких элементов, а, с другой, снижали быстродействие и повышали энергопотребление в динамическом режиме работы.
Рис.1. Принципиальная электрическая схема предлагаемого троичного логического элемента
Рис.2. Принципиальная электрическая схема троичного КМОП-драйвера (патент JP2005080257)
Одной из важнейших характеристик элементной базы вычислительной техники является потребление энергии одним вентилем (удельная рассеиваемая мощность). Поскольку на кристалле сложной интегральной схемы, например процессора или запоминающего устройства, могут находиться несколько миллионов и более элементов, необходимо, чтобы энергопотребление как в статическом, так и в динамическом режиме работы было минимальным.
Рассмотрим подробнее базовые элементы троичной логики. Троичный сигнал может быть закодирован разными способами, в частности различными уровнями напряжения или тока, в симметричном (-1, 0, +1) или несимметричном (0, 1, 2) виде, с использованием двоичной системы, с передачей сигнала по одному или нескольким проводам, с фазовым или частотным кодированием и т.д. В схемах, рассматриваемых в статье, применено "естественное" кодирование троичного сигнала в симметричной системе тремя уровнями напряжений. Троичный сигнал передается по одному проводу. Для кодирования логического нуля используется нулевое напряжение относительно общей точки ("земли"), для кодирования логической "-1" – отрицательное напряжение, а для логической "+1" – положительное. Таким образом, для питания троичных логических элементов нужен симметричный источник питания с тремя выводами.
Электрическая схема базового одновходового элемента- повторителя (буфера) с 10 транзисторами, предложенная авторами данной работы, представлена на рис.1, а на рис.2 – ближайший ее аналог [11].
Для построения макета предлагаемого троичного элемента использовались транзисторные сборки IRF7105, содержащие один n-канальный и один p-канальный МОП-транзистор с индуцированным каналом [15]. В схему аналога включены МОП-транзисторы с индуцированным каналом, имеющие вывод подложки, поэтому для макетирования элемента по этой схеме применялись транзисторные сборки HEF4007UB (рис.3), которые допускают подключение к подложкам транзисторов [16].
Рис.3. Принципиальная электрическая схема транзисторной сборки HEF4007UB
Времена задержки при прохождении импульса и потребление тока элементами исследовались на различных частотах. Так как логические элементы имеют один вход и один выход, то для измерения характеристик необходимы:
генератор импульсов для задания формы и частоты входного сигнала;
двухканальный осциллограф для контроля входного сигнала и снятия выходного сигнала с целью определения времени задержки;
амперметр для измерения потребляемого элементами тока.
В качестве генератора и осциллографа был применен сетевой комбинированный прибор ОСЦИГЕН (рис.4) [17]. Прибор содержит двухканальный генератор сигнала с возможностью задания произвольной формы импульсов, а также двухканальный осциллограф. ОСЦИГЕН не имеет собственного устройства отображения информации и органов управления, и для его настройки и снятия данных используется IBM-совместимый персональный компьютер, подключаемый по интерфейсу USB или по локальной сети Ethernet. При подключении по Ethernet обеспечивается оптронная гальваническая развязка прибора и сетевого оборудования с гарантированным напряжением изоляции 1500 В [18]:
В качестве амперметра использовался цифровой мультиметр MASTECH M9502, точность измерения которого в диапазоне до 20 мА составляет 0,8 % [19].
Сигнал, вырабатываемый генератором, подается с выхода C на вход логического элемента и на вход осциллографа A в целях контроля. Сигнал с выхода элемента поступает на вход B. Токи измеряются амперметром, который включается в цепь источника питания положительного или отрицательного напряжения (рис.5). Ток измеряют в двух цепях; общий потребляемый ток складывается из двух измеренных.
Измерения на макете проводятся с использованием дискретных элементов с высоким напряжением питания, поэтому важны не абсолютные значения токов потребления (которые будут в сотни раз больше, чем при испытании кристалла интегральной схемы, изготовленной по современной технологии), а относительная величина, показывающая, насколько больше тока потребляет троичный элемент, чем двоичный, собранный с применением тех же компонентов, т.е. отношение потребляемого тока троичного элемента к потребляемому току двоичного элемента.
Рис.4. Панель сетевого комбинированного прибора ОСЦИГЕН
Такой метод измерения позволит также выяснить, какой из вариантов троичных базовых элементов экономичнее в случае, когда разные варианты собраны с использованием разных компонентов.
Чтобы выявить преимущества и недостатки существующего и предлагаемого элементов, их сравнили с двоичными инверторами, собранными на тех же компонентах, что и троичные элементы (HEF4007UB для существующего элемента и IRF7105 для предлагаемого элемента), а затем проанализировали полученные относительные результаты. Схема эксперимента с двоичным инвертором для сравнения с предлагаемым элементом отличается от схемы, приведенной на рис.5, в ней отсутствует отрицательный полюс питания и амперметр в соответствующей цепи.
Рис.5. Схема измерительной установки
Рис.6. Форма входного сигнала
Для испытания троичных схем использовался ступенчатый сигнал (рис.6), в нем напряжение циклически принимает значения, соответствующие всем трем логическим уровням, время и напряжение нормированы. В действительности величина напряжения составляла от -5 до 5 В, период импульса изменялся с изменением частоты. Время переключения между соседними логическими уровнями составляет 1/48 от периода импульса.
Для испытания двоичных инверторов в целях сравнения на вход инверторов подавались прямоугольные импульсы с амплитудой 5 В и различной частотой.
Сравнение и анализ энергодинамических характеристик проводили на макете с использованием низкочастотных транзисторов. Это было сделано для удобства эксперимента, поэтому задаваемые частоты не превышали 1,6 МГц, что обеспечивало четкое функционирование всех схем.
Выяснилось, что ток потребления двоичного инвертора на начальном участке кривой с увеличением частоты входного сигнала возрастает.
Спадающий участок кривой на графике обусловлен тем, что на высоких частотах транзисторы не успевают открываться, т.е. находятся в полузакрытом состоянии, их каналы имеют высокое сопротивление, и через инвертор проходят меньшие токи.
Для сравнения будем брать только возрастающий линейный участок зависимости тока потребления от частоты (рис.7, прямая "двоичный инвертор"), где инвертор работает в нормальном режиме.
Токи, измеренные амперметром в положительной и отрицательной цепях, обозначены на графике как "Ток+" и "Ток-" соответственно.
Видно, что троичный элемент потребляет ток, более чем в три раза больший, чем двоичный.
Сравнение логического элемента, предложенного авторами работы (см. рис.1), с соответствующим двоичным инвертором, основанное на предположении, что у троичного элемента существует небольшой ток утечки при нулевой частоте (производится линейная аппроксимация зависимости тока от частоты к выражению вида y = a · x + b), приведено на рис.8.
Рис.7. Зависимости потребляемого тока от частоты для троичного элемента (JP2005080257) и соответствующего ему двоичного инвертора
Рис.8. Зависимости потребляемого тока от частоты для предлагаемого троичного элемента и соответствующего ему двоичного инвертора
Сравнение логического элемента, предложенного авторами работы (см. рис.1), с соответствующим двоичным инвертором, основанное на предположении, что у троичного элемента существует небольшой ток утечки при нулевой частоте (производится линейная аппроксимация зависимости тока от частоты к выражению вида y = a · x + b), приведено на рис.8.
Сравним динамические характеристики существующего и предлагаемого элементов. Узнать, насколько данный троичный элемент потребляет тока больше, чем двоичный инвертор, можно, установив отношения выражений аппроксимации зависимостей потребляемого тока троичного элемента и двоичного инвертора, которые могут быть записаны как
– для существующего троичного элемента;
– для предлагаемого троичного элемента.
Значения K1 (f) и K2 (f) показывают, насколько больший ток при данной частоте f потребляют существующий и предлагаемый элементы, чем инверторы, собранные на той же элементной базе. Чем ближе данные значения к единице, тем ближе ток потребления троичного элемента к току потребления двоичного инвертора, т.е. тем экономичнее данный троичный элемент.
Построим графики данных функций (рис.9) в пределах допустимых для всех логических элементов значений частот, а именно – до 1,6 МГц, так как при больших значениях элемент [11] не переключается из состояния "+1" в состояние "0", и линейная аппроксимация зависимости потребляемого тока от частоты утрачивает смысл.
Из графика видно, что предлагаемый элемент в данном диапазоне частот более экономичным является предлагаемый элемент, нежели существующий. Вообще, в пределе K1 (f) меньше, чем K2 (f):
однако точка пересечения графиков (точка равного относительного энергопотребления) находится за пределами области правильной работы существующего троичного элемента (f = 1,745 МГц, К = 3,0662).
Рис.9. Сравнение относительного потребления тока существующим и предлагаемым троичными логическими элементами
В заключение можно сказать, что новый троичный базовый элемент, предложенный авторами, по энергодинамическим характеристикам и степени интеграции превосходит существующие аналоги и может быть реализован на основе стандартной КМОП-технологии. Несмотря на то, что троичные логические элементы на КМОП-элементной базе примерно в три раза уступают по интеграции и энергодинамике двоичным аналогам, разработанная троичная элементная база на основе КМОП-технологии может применяться уже сегодня в устройствах связи, вычислительной и измерительной техники. Представляется возможным и крайне важным создание наноразмерных логических элементов на основе одноэлектронных квантовых приборов, имеющих три и более квантовых состояния. Вычислительная техника, построенная на основе троичных наноразмерных квантовых приборов, будет иметь кардинальные преимущества по сравнению с современной двоичной вычислительной техникой. И конечно, необходимо искать более эффективные технические решения в области троичной логики, основанные на традиционных технологиях.
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России"
на 2009–2013 годы (Госконтракт П1056 от 20.08.09)
Литература
1. Brian Hayes. – Third Base.American Scientist, November-December 2001, v. 89, № 6, p. 490–494.
2. Фомин С.В. Системы счисления. – М.: Наука, 1987, –48 с. (Сер. "Популярные лекции по математике", вып. 40).
3. Брусенцов Н.П. Опыт разработки троичной вычислительной машины. – Вестн. Моск. Ун-та. Сер. I, Математика, механика, 1965, № 2, с. 39–48.
4. Брусенцов Н.П. Начала информатики. – М.: Фонд "Новое тысячелетие", 1994–176 с.
5. А.с. 1095409 СССР. Многоустойчивый полупроводниковый прибор / А. Т. Корабельников. Заявл. 14.10.1982, опубл. 30.05.1984.
6. Пат. 3060330 США. Three-level inverter circuit (Схема трехуровневого инвертора) / K.M. Trampel. Заявл. 02.02.1961, опубл. 23.10.1962.
7. А.с. 813792 СССР. Элемент трехзначной логики / В.В. Бугаенко, В.И. Корнейчук, О.В. Масленников, В.П. Тарасенко и Я.И. Торошанко. Заявл. 23.04.1979, опубл. 15.03.1981.
8. Пат. 1563821 Великобритания. Ternary logic circuits with CMOS Devices (Троичные логические схемы с КМОП-приборами) / Hussein Talaat Mouftah.Заявл. 19.03.1976, опубл. 02.04.1980.
9. А.с. 1707757 СССР. Троичный дизъюнктор на МОП-транзисторах / А.Н. Кушниренко. Заявл. 27.07.1987, опубл. 23.01.1992.
10. Пат. 19832101 Германия. Realisierung Ternärer Grundschaltungen in CMOS Technologie (Реализация троичных базовых схем в КМОП-технологии), Josef von Stackelberg. Заявл. 17.07.1998, опубл. 27.01.2000
11. Пат. 2005080257 Япония. Симосу дорайба кайро оёби симосу инба:та кайро (Схема КМОП-драйвера, а также схема КМОП-инвертора) / Хидэки Фукуда. Заявл. 04.09.2003, опубл. 24.03.2005.
12. Пат. 2278469 Р.Ф. Логическое устройство "ИЛИ" / Попов Н.Д., Лукашенко В.А. Заявл. 01.11.2004, опубл. 20.06.2006.
13. Пат. 2287895 Р.Ф. Логическое устройство "Отрицание" (варианты) / Попов Н.Д., Лукашенко В.А. Заявл. 01.11.2004, опубл. 20.06.2006.
14. Пат. 2281605 Российская Федерация. Логическое устройство "И" / Попов Н.Д., Лукашенко В.А. Заявл. 01.11.2004, опубл. 10.08.2006.
15. IRF7105 HEXFET® Power MOSFET. – International Rectifier, 2003.
16. HEF4007UB gates. Dual complementary pair and inverter Data Sheet. – Philips Semiconductors, January 1995.
17. Сетевой комбинированный прибор ОСЦИГЕН. Руководство по эксплуатации 54323649.40 1850 9 РЭ. ЗАО "Научно-производственное объединение РТК". – СПб., 2008.
18. Сетевой комбинированный прибор ОСЦИГЕН. Паспорт 54323649.40 1850 9 ПС. ЗАО "Научно-производственное объединение РТК". – СПб., 2008.
19. M9502 Digital Multimeter. Precision MASTECH Enterprises Co. — URL: http://www.p-mastech.com/products/04_dm/m9502.html. Дата обращения: 30.06.2010.
Отзывы читателей
