Исследование возможностей и способов реализации современных троичных цифровых элементов (стр. 1 )

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В.ЛОМОНОСОВА

Факультет Вычислительной математики и кибернетики

Научно-исследовательская лаборатория ЭВМ

Исследование возможностей и способов реализации

современных троичных цифровых элементов

Научный отчет

Исполнитель:

Вед. научн. сотр. НИЛ ЭВМ

к. т.н

Зав НИЛ ЭВМ

к. т.н.

МОСКВА

Сентябрь 2003г. – Март 2004г.

Аннотация

Приводятся результаты исследования, посвященного созданию троичных цифровых элементов и их реализации на современной технической основе. Обосновывается актуальность задачи, предлагаются подходы к ее решению, оцениваются возможные трудности. На функциональном уровне анализируются выходные цепи гипотетических троичных элементов разных типов и формулируются критерии оценки качества их реализаций. Предлагаются варианты троичных элементов, осуществимых на базе современных интегральных технологий. Рассматриваются возможности создания современных троичных запоминающих устройств разных типов.

Введение

Необходимость в исследовании возможностей создания и реализации троичных цифровых элементов обусловлена следующим:

На основании теоретических исследований, проводимых в лаборатории ЭВМ, сделан фундаментальный вывод о том, что троичность органически присуща логике и вообще заложена в природу вещей. Частным следствием этого является превосходство симметричной троичной системы над господствующей ныне двоичной. Высказано предположение, что троичные цифровые устройства, которые будут превосходить существующие двоичные во всех отношениях, могут и должны быть реализованы. То, что этого до сих пор не произошло, в лучшем случае результат недомыслия, а в худшем - корысти. Гипотетические троичные цифровые элементы, предназначенные для реализации таких устройств, выполняют операции над тритами - переменными, имеющими три значения: -1, 0, 1. По характеристикам (стабильность, простота, надежность, помехоустойчивость, стоимость, энергопотребление и т. д.) они должны быть сравнимы с существующим двоичными элементами. Для их изготовления должны подходить средства современной интегральной технологии. Если не побояться упрека в амбициозности, то можно утверждать: появление таких элементов стало бы завершающим этапом революции в цифровой технике и информатике.

Имеется положительный опыт, приобретенный лабораторией в ходе разработки и изготовления троичных ЭВМ "Сетунь" и "Сетунь-70". Элементы, на которых они были выполнены, не являются “чисто” троичными, а состоят из двух двоичных магнитных элементов, оперирующих с "двухзначными компонентами троичных разрядов" - двумя битами, тройка значений которых (01, 00, 10) определяет соответственно значения трита (-1, 0, 1). Существует мнение, что реализация троичных устройств на двоичных элементах в свое время была вынужденной и обусловленной отсутствием тогда подходящих троичных компонент. Предполагается, что ныне, в результате более глубокого понимания природы и следствий троичности и использования в цифровой технике  новых физических принципов, такого рода ограничение должно исчезнуть.

Исполнитель данного исследования и автор отчета являлся активным участником разработки троичных компьютеров “Сетунь” и “Сетунь-70”.  После завершения работы по “Сетуням” он не один раз в инициативном порядке пытался придумать “чисто” троичные цифровые элементы на основе комплементарных транзисторов, однако успеха не достиг. Представляет интерес основательно разобраться в том, почему так получилось.

Общие вопросы

В этом разделе рассматриваются возможные подходы к созданию симметричных троичных цифровых элементов на основе двоичных, формулируются требования к ним и делается попытка предусмотреть трудности и ограничения, могущие возникнуть при реализации. Двоичные прототипы троичных элементов классифицируются в соответствии с используемыми в них способами представления дискретности. Обсуждаются и анализируются на функциональном уровне выходные цепи гипотетических троичных элементов разных типов. Формулируются критерии оценки качества создаваемых троичных элементов.

Подходы к созданию троичных элементов

Предварительно выскажу одно общее соображение. Поскольку речь идет о симметричной троичной системе счисления с цифрами -1, 0, 1 предметом рассмотрения должны стать цифровые элементы, у которых логические сигналы представлены положительным, нулевым и отрицательным напряжением или током. Применение комплементарных транзисторов с очевидностью представляет собой органичную основу для реализации симметричных троичных элементов. Поэтому, предполагая использовать существующие двоичные технологии, в которых не предусмотрено применение комплементарных транзисторов, следует разобраться, насколько принципиальным является это ограничение и какой ценой можно его преодолеть.

Можно выделить два подхода к созданию симметричных троичных цифровых элементов.

1. Троичная модификация существующих двоичных элементов. Целесообразность такого подхода основывается на следующем: Допустим, что значимость и совершенство троичности по тем или иным причинам еще не осознаны. Тогда можно предположить, что существующая двоичная техника и ее элементы представляют собой вырожденный вариант более совершенных троичной техники и элементов. Это предположение как бы подтверждается тем, что в двоичной технике для представления двоичной дискретности используются либо наличие или отсутствие напряжения (тока, заряда), либо их полярность (направление, знак). Объединение этих представлений дает органическую основу троичной дискретности: отрицательное напряжение - -1, отсутствие напряжения (нулевое напряжение) - 0, положительное напряжение - 1.

2. Модернизация “парных” элементов, подобных элементам “Сетуни”, по следующим основаниям: 

Можно ожидать появления новых качеств “парного” элемента вследствие того, что из четырех возможных состояний пары используется только три. Например, в элементах "Сетуни" было аппаратно запрещено возникновение четвертого состояния. За счет этого удалось повысить помехоустойчивость.

Можно упростить устройство “парного” элемента вследствие того, что одно из его состояний не используется.

Интуитивно представляется, что возможный путь к созданию “чисто” троичного элемента состоит в реализации “парного” элемента таким образом, что один из составляющих пару двоичных элементов является комплементарным отображением другого (каждому транзистору в одном элементе пары соответствует комплементарный транзистор в другом),

По поводу использования парных троичных элементов  уместно отметить следующее: В троичном компьютере остается много двоичных узлов, для управления которыми нужны двоичные сигналы. Даже при разработке чисто троичных устройств удобно иметь в распоряжении не только троичные сигналы, но и их двоичные представления (см. сб. "Вычисл. техника...", Вып.9, стр.29). Известные реализации многозначных элементов также используют так называемые “литералы” (literals) - биты, являющиеся результатом выполнения двузначных операций над многозначной переменной.

Требования к создаваемым троичным элементам

Чтобы троичные цифровые элементы были технологически конкурентоспособны, при их создании следует использовать те же детали (транзисторы, диоды и т. д.), на основе которых реализуются двоичные элементы. В виде исключения для получения дополнительных дискретных состояний можно допустить применение "особенных" деталей, однако при этом следует манипулировать качественными (а не количественными) их характеристиками. Например, менять крутизну MOS-транзисторов за счет дискретного изменения геометрии затвора, а не введением дополнительного технологическим этапа - легирования канала. По этой же причине не следует использовать в одной ИС нормально открытых и нормально закрытых MOS-транзисторов.

Трудности, возможные при создании троичных элементов

Рассматриваемые ниже ограничения относятся к элементам, предназначенным для использования в составе интегральных схем (ИС).

Функционирование троичного элемента предполагает наличие двух источников питающего напряжения противоположного знака и разнополярных сигналов. Таким образом, к компонентам, составляющим этот элемент, в процессе работы могут прикладываться напряжения разной полярности. Если делать элемент на дискретных деталях это несущественно - резисторы или конденсаторы неполярны, а транзисторы имеют комплементарные пары. В то же время, в интегральном исполнении большинство компонент либо представляют собой надлежащим образом включенные p-n переходы, либо изолированы этими переходами, т. е. униполярны в принципе. (Это обстоятельство, в частности, препятствует реализации в “чистом” виде троичной динамической памяти на конденсаторе, поскольку конденсатором является обратно смещенный p-n переход).

Находясь в составе интегральной схемы, ее компоненты большими группами располагаются на общих подложках. Электрическая изоляция их друг от друга, как правило, достигается за счет запирающих потенциалов на p-n переходах. Это обуславливает очень сильные ограничения, которые в троичном случае, при использовании второго питающего напряжения противоположного знака, по крайней мере, не ослабеют. (Существуют, правда, другие способы межэлементной изоляции, более дорогие и сложные).

Специфика интегральной схемотехники не позволяет в точности реализовать в интегральном исполнении то, что было придумано и сделано "россыпью". Вот факторы, которые следует учитывать, создавая троичный элемент для ИС: 

Паразитные соединения между отдельными деталями ИС вследствие того, что они располагаются на общей подложке. По этой же причине не все желательные межсоединения оказываются допустимыми.

Возникновение паразитных транзисторов в конгломерате легированных слоев полупроводника и p-n переходов, влияние которых может оказаться фатальным без принятия специальных мер.

Невозможность по технологическим причинам (за редким исключением) иметь в одной ИС комплементарные биполярные транзисторы. Как говорилось выше, без преодоления этого ограничения симметричный троичный элемент фактически нереализуем.

Наличие защитных (предотвращающих пробой входов элементов всплеском обратного напряжения) диодов и стабилитронов. Это препятствует использованию сигналов разной полярности во входных цепях троичной ИС.