مدارهای آدیاباتیک

**مدارهای آدیاباتیک** نوعی مدار الکترونیکی پُرکارایی هستند که با به‌کارگیری محاسبات برگشت‌پذیر ، مصرف انرژی را به‌شدت کاهش می‌دهند. واژهٔ «آدیاباتیک» از فرآیندی ایده‌آل در ترمودینامیک گرفته شده است که در آن سیستم با محیط اطراف خود هیچ گرما یا ماده‌ای مبادله نمی‌کند؛ این اصطلاح به‌خوبی اشاره‌گر توانایی این مدارها در جلوگیری از هدررفت انرژی به‌صورت گرما است.

برخلاف مدارهای سنتی CMOS که در هنگام سوئیچینگ انرژی را تلف می‌کنند، مدارهای آدیاباتیک با رعایت دو اصل کلیدی، میزان تلفات انرژی را کاهش می‌دهند.

* هرگز ترانزیستوری را زمانی که اختلاف پتانسیلی بین منبع و فاضلاب آن وجود دارد، روشن نکنید.
* هرگز ترانزیستوری را زمانی که جریانی از آن عبور می‌کند، خاموش نکنید.

به‌دلیل قانون دوم ترمودینامیک، تبدیل کامل انرژی به کار مفید امکان‌پذیر نیست. با این حال، اصطلاح «منطق آدیاباتیک» برای توصیف خانواده‌های منطقی به‌کار می‌رود که از نظر نظری می‌توانند بدون هیچ تلفاتی کار کنند. همچنین، عبارت «منطق نیمه‌آدیاباتیک» (Quasi-adiabatic logic) برای توصیف سیستم‌هایی به‌کار می‌رود که در مقایسه با منطق CMOS ساکن، مصرف توان کمتری دارند، اما همچنان دارای برخی تلفات نظری غیرآدیاباتیک هستند. در هر دو حالت، از این نام‌گذاری برای نشان‌دادن این ویژگی استفاده می‌شود که چنین سیستم‌هایی قادرند با میزان بسیار کمتری اتلاف توان در مقایسه با مدارهای سنتی CMOS ساکن، عمل کنند.

## تاریخچه
«آدیاباتیک» واژه‌ای با ریشهٔ یونانی است که بیشتر تاریخ کاربردش مربوط به ترمودینامیک کلاسیک بوده است. این اصطلاح به سیستمی اشاره دارد که در آن گذاری بدون اینکه سیستم انرژی — معمولاً به‌شکل گرما — از دست بدهد یا از محیط بیرون جذب کند، انجام می‌شود. در سیستم‌های الکترونیکی، به‌جای گرما، بار الکتریکی حفظ می‌شود؛ بنابراین، یک مدار آدیاباتیک ایده‌آل بدون هیچ افزایش یا کاهشی در بار الکتریکی عمل می‌کند.

اولین باری که واژهٔ «آدیاباتیک» در زمینهٔ مدارهای الکترونیکی به‌کار رفته است، به یک مقاله در سال ۱۹۹۲ در دومین کارگاه «فیزیک و محاسبات» بازمی‌گردد. البته پیش‌ازآن، چارلز اچ. بنِت امکان بازیابی انرژی را مطرح کرده بود؛ او دربارهٔ انرژی مورد نیاز برای انجام محاسبات گفته بود: «این انرژی را در اصل می‌توان ذخیره کرد و دوباره از آن استفاده نمود.»

## اصول
همهٔ این سیستم‌های آدیاباتیک کم‌مصرف، چند اصل مهم را با هم به‌اشتراک می‌گذارند. از جملهٔ این اصول می‌توان به روشن‌کردن کلیدها تنها در شرایطی اشاره کرد که هیچ اختلاف پتانسیلی بین دو سر آن‌ها وجود ندارد، خاموش‌کردن آن‌ها تنها هنگامی که جریانی از مدار عبور نمی‌کند، و استفاده از منبع تغذیه‌ای که بتواند انرژی را به‌شکل بار الکتریکی بازیابی یا دوباره به چرخهٔ کاری برگرداند. برای تحقق این اهداف، منابع تغذیهٔ مورد استفاده در مدارهای منطق آدیاباتیک معمولاً از روش شارژ با جریان ثابت (یا تقریبی از آن) بهره می‌برند، در حالی که سیستم‌های غیرآدیاباتیک سنتی معمولاً از شارژ با ولتاژ ثابت توسط یک منبع تغذیهٔ با ولتاژ ثابت استفاده می‌کنند.

## منبع تغذیه
منابع تغذیهٔ مدارهای منطق آدیاباتیک اغلب از قطعاتی استفاده می‌کنند که بتوانند انرژی را ذخیره کنند. رایج‌ترین این قطعات، سلف‌ها هستند که انرژی را به‌صورت شار مغناطیسی در خود نگه می‌دارند.

در طول سال‌ها، پژوهشگران برای توصیف این نوع مدارها از اصطلاحات مختلفی استفاده کرده‌اند، مانند:

«منطق بازیابی بار»، «منطق بازچرخانی بار»، «منطق تغذیه‌شده با کلاک»، «منطق بازیابی انرژی» و «منطق بازچرخانی انرژی».

اما باید دقت کرد: چون یک سیستم کاملاً آدیاباتیک نیازمند برگشت‌پذیریِ کامل است، بیشتر این اصطلاحات در عمل به سیستم‌های نیمه‌آدیاباتیک اشاره دارند — یعنی سیستم‌هایی که تلفات را کاهش می‌دهند، اما به‌طور ایده‌آل آن را حذف نمی‌کنند. از همین رو، این عبارت‌ها اغلب معادل یکدیگر در نظر گرفته می‌شوند.

در میان این اصطلاحات، همهٔ آن‌ها کاملاً واضح و گویا هستند، جز یکی: «منطق تغذیه‌شده با کلاک».

دلیل این نام‌گذاری این است که بسیاری از مدارهای آدیاباتیک از یک سیگنال ترکیبی استفاده می‌کنند که هم منبع تغذیه است و هم کلاک (سیگنال هماهنگ‌کننده). به این سیگنال، «کلاک توان» (Power-clock) می‌گویند. این کلاک توان معمولاً یک ولتاژ متغیر و چندفازه است که ابتدا انرژی لازم برای کار مدار را فراهم می‌کند و سپس بخشی از آن را دوباره از مدار جمع‌آوری و بازیابی می‌کند.

از آنجا که سلف‌های با کیفیت بالا (high-Q) در فناوری CMOS قابل پیاده‌سازی نیستند، مجبوریم سلف‌ها را خارج از تراشه (off-chip) قرار دهیم. به همین دلیل، مدارهای آدیاباتیکی که از سلف استفاده می‌کنند، معمولاً محدود به طرح‌هایی هستند که تنها به چند سلف نیاز دارند.در مقابل، روش شارژ گام‌به‌گام نیمه‌آدیاباتیک (Quasi-adiabatic stepwise charging) از سلف استفاده نمی‌کند و به‌جای آن، انرژی بازیابی‌شده را در خازن‌ها ذخیره می‌کند.روش شارژ گام‌به‌گام (SWC) می‌تواند از خازن‌های داخل تراشه استفاده کند.

منطق آسنکروباتیک، که در سال ۲۰۰۴ معرفی شد،این سبک طراحی، یک خانواده از مدارهای منطقی CMOS است که از شارژ گام‌به‌گام داخلی استفاده می‌کند و تلاش می‌کند مزایای کم‌مصرفِ دو ایدهٔ ظاهراً متضاد — یعنی «منطق تغذیه‌شده با کلاک» (مدارهای آدیاباتیک) و «مدارهای بدون کلاک» (مدارهای آسنکرون) — را در هم ادغام کند.

## مدارهای CMOS آدیاباتیک
روش‌های کلاسیک متعددی برای کاهش توان پویا وجود دارند، از جمله کاهش ولتاژ تغذیه، کاهش ظرفیت فیزیکی و کاهش فعالیت سوئیچینگ. با این حال، این روش‌ها دیگر به‌تنهایی قادر نیستند نیازهای امروزی به کاهش مصرف توان را پاسخ دهند. به همین دلیل، بیشتر پژوهش‌های اخیر بر روی منطق آدیاباتیک متمرکز شده‌اند؛ رویکردی امیدوارکننده برای طراحی سیستم‌های کم‌مصرف.

منطق آدیاباتیک بر پایهٔ این ایده کار می‌کند که در هنگام سوئیچینگ، انرژی ذخیره‌شده در مدار را به منبع تغذیه بازگرداند — نه آن را به‌صورت گرما از دست دهد. به همین دلیل، اصطلاح «منطق آدیاباتیک» معمولاً در مدارهای VLSI کم‌مصرف به‌کار می‌رود که از منطق برگشت‌پذیر پیروی می‌کنند. در این سیستم‌ها، مهم‌ترین تغییر در طراحی، مربوط به کلاک توان (power clock) است که نقش اصلی را در نحوهٔ عملکرد مدار ایفا می‌کند. هر فاز از کلاک توان امکان رعایت دو قاعدهٔ اساسیِ طراحی مدارهای آدیاباتیک را فراهم می‌آورد.

* هرگز ترانزیستوری را زمانی که اختلاف پتانسیلی بین سر و دراز آن وجود دارد (یعنی VDS​>0)، روشن نکنید.
* هرگز ترانزیستوری را زمانی که جریانی از آن می‌گذرد (یعنی IDS ≠ 0)، خاموش نکنید.
* هرگز جریانی را از طریق یک دیود عبور ندهید.

اگر این شرایط در مورد ورودی‌ها در هر چهار فازِ کلاک توان رعایت شوند، فاز بازیابی، انرژی را به کلاک توان بازگرداند و در نتیجه، صرفه‌جویی چشمگیری در مصرف انرژی حاصل می‌شود. با این حال، طراحی مدارهای منطق آدیاباتیک همچنان با چالش‌هایی همراه است. دو نمونه از این چالش‌ها عبارتند از:اولاً، نیاز به پیاده‌سازی مداری برای منابع تغذیهٔ متغیر با زمان، و دوماً، لزوم پیروی از ساختارهای مداری با سربار پیاده‌سازی پایین برای اجرای عملیات‌های محاسباتی.

مدارهای بازیابی انرژی دو چالش اساسی دارند:اولاً، از نظر استانداردهای امروزی سرعت پایینی دارند، و دوماً، نسبت به مدارهای CMOS مرسوم، حدود ۵۰٪ یا بیشتر فضای سیلیکونی اشغال می‌کنند.و طراحی‌های مداری ساده نیز پیچیده می‌شوند.

## همچنین ببینید

* محاسبات برگشت پذیر - مدل محاسباتی که در آن همه فرآیندها برگشت پذیر هستند.
* ترانزیستور انحراف بالستیک

## در ادامه مطلب

* ریندرز، نِله؛ ده‌هن، ویم (۲۰۱۵). طراحی مدارهای دیجیتال کم‌مصرف با ولتاژ فوق‌العاده پایین. مجموعهٔ «مدارهای آنالوگ و پردازش سیگنال» (ACSP)، ویرایش ۱. چام، سوئیس: اشپرینگر ساینس+بیزینس مدیاpp. 72–74. doi:10.1007/978-3-319-16136-5. ISBN 978-3-319-16135-8. ISSN 1872-082X. LCCN 2015935431

## لینک های خارجی

* پردازش با مصرف انرژی تقریباً صفر بر پایهٔ منطق بازیابی بار دو سطحی

## منابع

### [[:رده:مدار منطقی|'''<big>رده: مدار منطقی</big>''']]

رده:مقاله‌های ایجادشده توسط ایجادگر
رده:الکترونیک دیجیتال