超立方體或將構成納米計算機

2020-12-06 科學網


　　一種被稱為超立方體（hypercubes）的多維結構，或許將成為未來納米計算機的基本結構。用如此微小零件製作的機器，將由量子特性來主宰，而不再是由我們日常所熟知的力。

　　美國奧克拉荷馬大學的薩繆爾·李和勞埃德·霍克解釋說，按照摩爾定律，微電子器件正持續變得更小、更快。集成電路和電晶體已達到納米尺度，不過它們仍基於宏觀尺度的物理特性運行著。真正的納米電子學不只是縮小了的微電子學，而是將由量子特性主宰的器件，因而需要新的架構和新穎的結構。

　　研究人員表示，相對於現今的微機，未來納米計算機的主要優勢在於更高的電路密度、更低的耗電量、更快的運算速度以及更多並行與分布式計算的能力。

　　例如，現在的集成電路以電子連續流動的形式處理信息。然而，納米集成電路也許處理的是個別的電子，減少了尺度與耗電量。這樣的電路需要能計算單一電子的納米邏輯器件，以及擁有並行計算、可逆性、區域性的能力，外加一個三維的架構。

　　為了應對這些挑戰，李和霍克研究了超立方體，研究人員認為其將是納米計算機的要素。在即將發表在下期《IEEE計算機彙刊》（IEEE Transactions on Computers）上的研究報告中，研究人員提出了一種典型超立方體的變體，稱為「M-超立方體」，它能提供更高維度的布局以支持納米計算機中的三維集成電路。

　　M-超立方體具有類似於典型超立方體的結構，基本上是一個從正方形延伸成立方體、再到越來越複雜的M維形狀。任意維度的M-超立方體由「節點」與「連接」所組成，「節點」扮演著門的作用，接收並讓電子通過，而「連接」的作用就如同電子沿著穿越的路徑。

　　研究人員表示，包括M-超立方體在內的超立方體的獨特結構，已被證明在並行運算和通信網絡中有效，並且提供了獨特的理想內在結構。這將能滿足未來納米計算系統的諸多需求，這些需求包括具有簡單且強健通信連接的大規模並行與分布式處理架構。

　　與典型超立方體不同的是，M-超立方體包含兩種類型的節點：狀態節點，嵌入在M-超立方體的「接合點」上；傳輸節點，嵌入在狀態節點之間的連接中間。在某種設計安排中，研究人員將兩個狀態節點嵌入到每個接合點上，每一個代表一種單一狀態。每個節點能被打開或關閉，當傳輸節點處於關閉狀態時，其有能力使立方體的某些部分與其他部分隔離開。

　　基於一次運算所需的狀態數量，M-超立方體可通過增加額外維度（包含更多節點）得以擴展，反之亦可通過減少維度得以收縮。例如，如果只需要4種狀態，該邏輯結構將會是一個具有4個狀態節點的2-D超立方體，也就是正方形。一般來說，超立方體中狀態節點的數目是2m，m是M-超立方體的維數。

　　研究人員解釋道，如果允許在M-超立方體節點間的通信連接不相互垂直的話，也許能在三維空間中構建出維度大於3的M-超立方體。

　　邏輯運算需要許多狀態，研究人員提出了一種方法，可通過實質上將超立方體分解成兩個以並行方式連結的較低維度的M-超立方體，來減少M-超立方體的維度。如果需要，這兩個M-超立方體本身也能夠被分解成較不複雜的M-超立方體，從而減少每種狀態所需要的狀態節點數。

　　在另一種設計安排中，研究人員將M-超立方體與N-超立方體結合，結果形成了一個所謂的「MN室」（MN-cell）。因其易變性，該器件就可作為一種基本結構，用來設計具有任意尺寸與複雜性的連續邏輯門。（來源：科技日報 馮衛東） 

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