基于信息热力学的逻辑门与奇偶校验电路能效研究.pdf

硕士学位论文

摘要

随着第五代移动通信系统的普及和超密集蜂窝网基站的大量铺设，基站处理数

据量呈现指数增长趋势，如此海量数据处理引发的能耗问题也受到越来越多关注。虽

然信息处理单元的能耗被认为会随着晶体管制程工艺技术发展和工作电压的降低而

不断降低，但现有研究已经证实半导体工艺技术发展所遵循的摩尔定律已在2015年

左右开始失效并将在未来几年内被终结。随着栅极绝缘层变薄，芯片中晶体管尺寸越

来越接近介观尺度，热波动对晶体管的影响越来越显著，传统能耗分析方法对热噪声

进行线性处理的方式并不能保证与晶体管的热力学特性一致，因此在描述介观尺度

下晶体管的非平衡信息处理过程存在着局限性。在热力学领域，非平衡态热力学在近

十年里取得了突破性的进展，其中信息热力学为分析非平衡信息处理过程中晶体管

的能量消耗和信息观测问题提供了理论基础。

作为数字集成电路的最基本组成元件之一，介观尺度下的非门和异或门的信息

热力学模型却鲜有研究，包括奇偶校验电路在内的组合电路也研究甚少。本文将信息

学科与热力学交叉学科理论应用于由单电子晶体管组成的两种典型逻辑门——非门

和异或门的热力学电路建模分析，主要研究内容如下：

（1）分别构建了介观尺度下单电子晶体管组成的非门和异或门的随机热力学电

路模型，推导了信息处理过程中错误率、输出电压和能耗的表达式，依据信息处理能

耗与输入状态的关系建立了基于输入状态转换的能耗模型。分析了输入分布、工作电

压与能耗之间的关系。第五章扩展到基本组合电路，构建了由两个异或门组成的奇偶

校验电路的信息处理能耗模型。基于仿真结果分别确定了非门、异或门和奇偶校验电

路的最优工作电压。仿真结果表明，在最优工作电压下，与现有工艺晶体管制程的工

作电压相比，非门单次操作平均能耗最高可降低84.7%，异或门单次操作平均能耗最

高可降低72.8%，奇偶校验电路单次操作的平均能耗最高可降低72.6%。

（2）基于信息处理模型和信息论，本文分别给出了非门、异或门和奇偶校验电路

的信息能量效率解构模型，以数学形式揭示了逻辑门和奇偶校验电路在信息处理过

I

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程中信息与能耗之间的耦合关系。分析了输入数据分布、工作电压与逻辑门的互信息

和信息能量效率之间的关系，并基于仿真结果给出了能够有效提高逻辑门和奇偶校

验电路信息能量效率的电压优化方案。最后，构建了逻辑门信息能量效率上限的数学

问题，利用遗传算法求解得到非门和异或门的信息处理能量效率上限。

综上所述，本论文从信息学科与热力学交叉领域的基础原理出发，针对介观尺度

下单电子晶体管逻辑门的能耗问题展开了深入研究。同时构建了非门、异或门和奇偶

校验电路的能效模型，提出了可量化表述逻辑门信息与能耗之间关系的信息能量效

率指标。然后引入遗传算法分析了非门和异或门的能效上限问题。最后基于仿真结果

对非门、异或门和奇偶校验电路的能效给出了相应的优化方案。

关键词：信息热力学；信息处理能耗；信息能量效率；数字电路

II

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Abstract

Withthepopularizationoffifthgeneration(5G)communicationsystemsandthe

deploymentofultra-densecellularnetworks,theamountofdataprocessedatbasestations

hasshownanexponentialgrowingtrend,whichhasarousedextensiveattentiontothe

energyconsumptionofdataprocessing.Althoughtheenergyconsumedforonebitis

conside