دائرة كظيمة

الدوائر الأديباتية هي دوائر إلكترونية منخفضة الطاقة تستخدم " المنطق العكسي " للحفاظ على الطاقة. ^{[ 1 ]} يشير مصطلح " أديباتي " إلى عملية ديناميكية حرارية مثالية لا يتم فيها تبادل الحرارة أو الكتلة مع البيئة المحيطة، مما يدل على قدرة هذه الدوائر على تقليل فقد الطاقة على شكل حرارة.

بخلاف دوائر CMOS التقليدية، التي تبدد الطاقة أثناء التبديل، تقلل الدوائر الأديباتية من التبديد باتباع قاعدتين رئيسيتين:

• لا تقم بتشغيل الترانزستور أبدًا عندما يكون هناك فرق جهد بين المصدر والمصب .
• لا تقم أبدًا بإيقاف تشغيل الترانزستور أثناء مرور التيار الكهربائي فيه.

بسبب القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، لا يمكن تحويل الطاقة بالكامل إلى شغل مفيد. مع ذلك، يُستخدم مصطلح "المنطق الأديباتي" لوصف عائلات المنطق التي يمكنها نظريًا العمل دون فقد للطاقة. ويُستخدم مصطلح "المنطق شبه الأديباتي" لوصف المنطق الذي يعمل بقدرة أقل من منطق CMOS الثابت، ولكنه لا يزال يعاني من بعض الفقد النظري غير الأديباتي. في كلتا الحالتين، تُستخدم هذه التسمية للإشارة إلى أن هذه الأنظمة قادرة على العمل باستهلاك طاقة أقل بكثير من دوائر CMOS الثابتة التقليدية.

مصطلح "أديباتي" ذو أصل يوناني، وقد ارتبط معظم تاريخه بالديناميكا الحرارية الكلاسيكية . يشير إلى نظام يحدث فيه انتقال دون فقدان أو اكتساب أي طاقة (عادةً على شكل حرارة). في سياق الأنظمة الإلكترونية، تُحفظ الشحنة الإلكترونية بدلاً من الحرارة. وبالتالي، تعمل الدائرة الأديباتية المثالية دون فقدان أو اكتساب أي شحنة إلكترونية.

يبدو أن أول استخدام لمصطلح "أديباتي" في سياق الدوائر الكهربائية يعود إلى ورقة بحثية قُدّمت عام ١٩٩٢ في ورشة العمل الثانية حول الفيزياء والحوسبة. مع ذلك، فقد سبق أن أشار تشارلز إتش. بينيت إلى إمكانية استعادة الطاقة، حيث ذكر فيما يتعلق بالطاقة المستخدمة في إجراء العمليات الحسابية: "يمكن من حيث المبدأ حفظ هذه الطاقة وإعادة استخدامها".

تتشارك جميع هذه الأنظمة الأديباتية منخفضة الطاقة في عدة مبادئ هامة. تشمل هذه المبادئ تشغيل المفاتيح فقط عند انعدام فرق الجهد بينها، وإيقافها فقط عند انقطاع التيار الكهربائي، واستخدام مصدر طاقة قادر على استعادة الطاقة أو إعادة تدويرها على شكل شحنة كهربائية . ولتحقيق ذلك، تستخدم مصادر الطاقة في دوائر المنطق الأديباتية عمومًا الشحن بتيار ثابت (أو ما يقاربه)، على عكس الأنظمة غير الأديباتية التقليدية التي تستخدم عادةً الشحن بجهد ثابت من مصدر طاقة ذي جهد ثابت.

تستخدم مصادر الطاقة في دوائر المنطق الأديباتي عناصر دارة قادرة على تخزين الطاقة. ويتم ذلك غالبًا باستخدام المحاثات، التي تخزن الطاقة بتحويلها إلى تدفق مغناطيسي . وقد استخدم مؤلفون آخرون عددًا من المرادفات للإشارة إلى أنظمة المنطق الأديباتي، ومنها: "منطق استعادة الشحنة"، و"منطق إعادة تدوير الشحنة"، و"المنطق المُغذّى بساعة"، و"منطق استعادة الطاقة"، و" منطق إعادة تدوير الطاقة ". ونظرًا لمتطلبات الانعكاسية اللازمة لكي يكون النظام أديباتيًا بالكامل، فإن معظم هذه المرادفات تشير في الواقع إلى الأنظمة شبه الأديباتية، ويمكن استخدامها بشكل متبادل لوصفها. هذه المصطلحات موجزة وواضحة المعنى، لذا فإن المصطلح الوحيد الذي يستدعي مزيدًا من التوضيح هو "المنطق المُغذّى بساعة". وقد استُخدم هذا المصطلح لأن العديد من الدوائر الأديباتية تستخدم مصدر طاقة وساعة مدمجين، أو ما يُعرف بـ"مصدر الطاقة والساعة". هذا مصدر طاقة متغير، وعادة ما يكون متعدد المراحل، يتحكم في تشغيل المنطق عن طريق تزويده بالطاقة، ثم استعادة الطاقة منه.

نظرًا لعدم توفر محاثات عالية الجودة في تقنية CMOS، يجب أن تكون المحاثات خارج الشريحة، لذا فإن التبديل الأديباتي باستخدام المحاثات يقتصر على التصاميم التي تستخدم عددًا قليلًا منها. يتجنب الشحن التدريجي شبه الأديباتي استخدام المحاثات تمامًا عن طريق تخزين الطاقة المستعادة في المكثفات. ^{[ 2 ] [ 3 ]} يمكن للشحن التدريجي (SWC) استخدام مكثفات على الشريحة. ^{[ 4 ] : ​​26}

المنطق غير المتزامن، الذي طُرح عام 2004، ^{[ 4 ] : ​​51،} هو نمط تصميم لعائلة منطق CMOS يستخدم الشحن التدريجي الداخلي، ويسعى إلى الجمع بين مزايا استهلاك الطاقة المنخفض لفكرتي "المنطق المُغذّى بساعة" (الدوائر الأديباتية) و"الدوائر بدون ساعات" ( الدوائر غير المتزامنة )، اللتين تبدوان متناقضتين. ^{[ 4 ] : ​​3 [ 5 ] [ 6 ]}

توجد بعض الأساليب التقليدية لتقليل استهلاك الطاقة الديناميكي، مثل خفض جهد التغذية، وتقليل السعة الفيزيائية، وتقليل نشاط التبديل. إلا أن هذه التقنيات لا تفي بمتطلبات الطاقة الحالية. مع ذلك، ركزت معظم الأبحاث على بناء منطق أديباتي، وهو تصميم واعد لتطبيقات الطاقة المنخفضة.

تعتمد تقنية المنطق الأديباتي على مفهوم تبديل العمليات، مما يقلل استهلاك الطاقة عن طريق إعادة الطاقة المخزنة إلى مصدر الطاقة. ولذلك، يُستخدم مصطلح المنطق الأديباتي في دوائر VLSI منخفضة الطاقة التي تُطبّق المنطق العكسي. في هذا السياق، تتركز التغييرات التصميمية الرئيسية على ساعة الطاقة، التي تلعب دورًا حيويًا في مبدأ التشغيل. تُمكّن كل مرحلة من مراحل ساعة الطاقة المستخدم من تحقيق قاعدتي التصميم الرئيسيتين لتصميم الدوائر الأديباتية.

• لا تقم بتشغيل الترانزستور إذا كان هناك جهد كهربائي عبره (V _DS > 0).
• لا تقم أبدًا بإيقاف تشغيل الترانزستور إذا كان هناك تيار يمر عبره (I _DS ≠ 0).
• لا تمرر التيار الكهربائي عبر الصمام الثنائي

إذا تحققت هذه الشروط المتعلقة بالمدخلات، في جميع مراحل دورة الطاقة الأربع، فإن مرحلة الاستعادة ستعيد الطاقة إلى دورة الطاقة، مما يؤدي إلى توفير كبير في الطاقة. ومع ذلك، لا تزال بعض التعقيدات قائمة في تصميم المنطق الأديباتي. ومن هذه التعقيدات، على سبيل المثال، ضرورة تنفيذ الدوائر لمصادر الطاقة المتغيرة مع الزمن، وضرورة اتباع التنفيذ الحسابي باستخدام هياكل دوائر ذات تكلفة منخفضة.

هناك تحديان كبيران لدوائر استعادة الطاقة؛ أولاً، البطء من حيث المعايير الحالية، وثانياً، يتطلب مساحة أكبر بنسبة 50٪ تقريبًا من CMOS التقليدي ، وتصبح تصميمات الدوائر البسيطة معقدة.

• الحوسبة العكسية - مفهوم في علوم الحاسوب 
• ترانزستور الانحراف الباليستي

• ريندرز، نيلي؛ ديهان، ويم (2015). تصميم الدوائر الرقمية الموفرة للطاقة بجهد منخفض للغاية . الدوائر التناظرية ومعالجة الإشارات (ACSP) (  الطبعة الأولى). تشام، سويسرا: دار نشر سبرينغر الدولية، سويسرا . الصفحات 72-74 . doi : 10.1007/978-3-319-16136-5 . ISBN  978-3-319-16135-8ISSN 1872-082X . LCCN 2015935431 .​  

• الحوسبة ذات الطاقة الصفرية التقاربية باستخدام منطق استعادة الشحنة ذي المستويات المنفصلة