嵌入在状态节点之间的连接中间

  一种被称为超立方体(hypercubes)的多维结构,或许将成为未来纳米计算机的基本结构。用如此微小零件制作的机器,将由量子特性来主宰,而不再是由我们日常所熟知的力。

  美国奥克拉荷马大学的萨缪尔·李和劳埃德·霍克解释说,按照摩尔定律,微电子器件正持续变得更小、更快。集成电路和晶体管已达到纳米尺度,不过它们仍基于宏观尺度的物理特性运行着。真正的纳米电子学不只是缩小了的微电子学,而是将由量子特性主宰的器件,因而需要新的架构和新颖的结构。

  研究人员表示,澳门皇家赌场手机网址相对于现今的微机,未来纳米计算机的主要优势在于更高的电路密度、更低的耗电量、更快的运算速度以及更多并行与分布式计算的能力。

  例如,现在的集成电路以电子连续流动的形式处理信息。然而,纳米集成电路也许处理的是个别的电子,减少了尺度与耗电量。这样的电路需要能计算单一电子的纳米逻辑器件,以及拥有并行计算、可逆性、区域性的能力,外加一个三维的架构。

  为了应对这些挑战,李和霍克研究了超立方体,研究人员认为其将是纳米计算机的要素。在即将发表在下期《IEEE计算机汇刊》上的研究报告中,研究人员提出了一种典型超立方体的变体,称为“M-超立方体”,它能提供更高维度的布局以支持纳米计算机中的三维集成电路。

  M-超立方体具有类似于典型超立方体的结构,基本上是一个从正方形延伸成立方体、再到越来越复杂的M维形状。任意维度的M-超立方体由“节点”与“连接”所组成,“节点”扮演着门的作用,接收并让电子通过,而“连接”的作用就如同电子沿着穿越的路径。

  研究人员表示,包括M-超立方体在内的超立方体的独特结构,已被证明在并行运算和通信网络中有效,并且提供了独特的理想内在结构。这将能满足未来纳米计算系统的诸多需求,这些需求包括具有简单且强健通信连接的大规模并行与分布式处理架构。

  与典型超立方体不同的是,M-超立方体包含两种类型的节点:状态节点,嵌入在M-超立方体的“接合点”上;传输节点,嵌入在状态节点之间的连接中间。在某种设计安排中,研究人员将两个状态节点嵌入到每个接合点上,每一个代表一种单一状态。每个节点能被打开或关闭,当传输节点处于关闭状态时,其有能力使立方体的某些部分与其他部分隔离开。

  基于一次运算所需的状态数量,M-超立方体可通过增加额外维度(包含更多节点)得以扩展,反之亦可通过减少维度得以收缩。例如,如果只需要4种状态,该逻辑结构将会是一个具有4个状态节点的2-D超立方体,也就是正方形。一般来说,超立方体中状态节点的数目是2m,m是M-超立方体的维数。

  研究人员解释道,如果允许在M-超立方体节点间的通信连接不相互垂直的话,也许能在三维空间中构建出维度大于3的M-超立方体。

  逻辑运算需要许多状态,研究人员提出了一种方法,可通过实质上将超立方体分解成两个以并行方式连结的较低维度的M-超立方体,来减少M-超立方体的维度。如果需要,这两个M-超立方体本身也能够被分解成较不复杂的M-超立方体,从而减少每种状态所需要的状态节点数。

  在另一种设计安排中,研究人员将M-超立方体与N-超立方体结合,结果形成了一个所谓的“MN室”(MN-cell)。因其易变性,该器件就可作为一种基本结构,用来设计具有任意尺寸与复杂性的连续逻辑门。