40、可逆电路与VLSI电路测试的研究进展与挑战

可逆电路与VLSI电路测试的研究进展与挑战

可逆电路的功耗与优势

在现代CMOS技术中，基本计算步骤的功耗由 $CV^2_t$ 决定，其中 $V_t$ 是晶体管的阈值电压，$C$ 是逻辑门中电容器的总电容，且 $C$ 与晶体管的长度 $L$ 和宽度 $W$ 成正比。缩小晶体管尺寸能显著降低功耗，但这种发展会达到一个基本极限，即功耗降低到 $k · T · log(2)$ 焦耳。

可逆电路在每个计算步骤中进行双射数据转换，避免了信息丢失和由此导致的功耗。因此，可逆电路是突破这一基本极限的唯一途径。事实上，要实现无功耗计算，底层实现必须遵循可逆计算原则。

可逆电路的应用领域

• 编码和解码设备设计 ：编码器和解码器实现的是可逆的一对一映射，应用可逆电路是合理的选择。但目前大多数此类设备采用传统的不可逆方式实现，错过了设计中的潜在优势。不过，已有研究首次通过可逆电路设计了片上系统不同组件之间片上通信的编码器和解码器。
• 绝热电路 ：绝热电路利用缓慢切换状态的信号来避免功率损失。当开关转换的功耗降至最低时，先进的极小化工艺技术中泄漏设备导致的静态功耗将变得非常显著。而可逆电路自然适用于绝热切换，无需额外电路。
• 程序反转 ：出于调试等目的，自动推导给定程序的逆程序是一个重要问题。目前大多数现有程序遵循传统的不可逆计算范式，需要应用程序分析技术或解释性解决方案。而基于可逆计算范式的程序则可以实现固有的、明显的程序反转。

可逆电路的设计历程