DE112012000547T5

DE112012000547T5 - Elektronische Vorrichtung und Verfahren zur Implementierung logischer Funktionen und zur Lenkung geladener Teilchen

Info

Publication number: DE112012000547T5
Application number: DE112012000547T
Authority: DE
Inventors: Erez Halahmi; Ron Naaman
Original assignee: Novatrans Group SA
Current assignee: Oec Sa Ch
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2012-01-24
Publication date: 2013-12-24
Anticipated expiration: 2032-01-25
Also published as: WO2012101581A1; US8860466B2; CN103444082B; IL227400A0; DE112012000547B4; US20130335118A1; IL227400A; CN103444082A

Abstract

Eine Vorrichtung und ein Verfahren werden präsentiert, um eine oder mehrere logische Funktionen zu implementieren. Die Vorrichtung umfasst einen oder mehrere Grundblocks, von denen jeder eine vorbestimmte Anzahl an Eingängen für geladene Teilchen, mindestens eine Interaktionszone, die einen Funktionsraum definiert und mindestens einen Ausgabe für geladene Teilchen in einem gewissen Abstand von der Interaktionszone umfasst. Die logische Funktion ist ein Resultat einer beeinflussten Interaktion zwischen den geladenen Teilchen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung liegt grundsätzlich im Bereich von Logikgattern und bezieht sich auf eine elektronische Vorrichtung und ein Verfahren zur Implementierung logischer Funktionen und zur Lenkung geladener Teilchen.
HINTERGRUND
Die Grundlage der Chiplogik-Implementierung ist der Gebrauch von zwei unterschiedlichen Spannungen, um logisch „1” und logisch „0” darzustellen. Seit den 1990er Jahren werden die meisten Logikgatter aus CMOS-Transistoren hergestellt (d. h., es werden NMOS- und PMOS-Transistoren verwendet). Häufig werden Milliarden von Logikgattern in eine einzelne integrierte Schaltung gepackt.
Einige andere Techniken der angegebenen Art, die vom Erfinder der vorliegenden Anmeldung entwickelt wurden, nutzen die Prinzipien der Elektronenemission. Beispielsweise beschreibt US-Patent 7,847,596 eine elektronische Vorrichtung zur Ausführung einer oder mehrerer logischer Funktionen unter Verwendung ballistischer Elektronen. US-Patent 7,545,179 offenbart eine elektronische Vorrichtung, die konfiguriert ist, als ein Logikgatter unter Verwendung von Elektronen in einem Vakuum und von schwebenden Elektroden zu arbeiten.s
ALLGEMEINE BESCHREIBUNG
Die Erfinder haben festgestellt, dass mit der Verwendung geladener Teilchen (z. B. Elektronen oder Ionen), die sich in Zeit und Raum bewegen, die Leistung von Logikgattern erheblich verbessert werden kann, wodurch deren Recheneffizienz und die Leistung erhöht werden. Gemäß der Technik der vorliegenden Erfindung ist logisch „1” beispielsweise als der Anwesenheitszustand eines geladenen Teilchens (Elektron) an einer bestimmten Stelle definiert und logisch „0” ist als der Abwesenheitszustand eines geladenen Teilchens (Elektron) an dieser Stelle definiert. Deshalb ist jede Ein- oder Ausgabe einer Funktion als die „Anwesenheit” oder „Abwesenheit” von geladenen Teilchen zu einer spezifischen Zeit und an einem spezifischen Ort dargestellt. Die Funktion selbst ist ein Volumen im Raum, in dem die geladenen Teilchen interagieren können, um die Ausgabe zu erzeugen.
Die Wahl von Elektronen als die geladenen Teilchen hat mehrere Vorteile. Sie sind leichter als Ionen, sodass sie einfacher zu lenken und zu manipulieren sind. Die elektrostatische Kraft ist groß genug, um eine Änderung des logischen Zustandes zu erreichen, wenn sich zwei Elektronen nahe beieinander befinden. Generell ist Energie nur für das „Einschalten” des Systems erforderlich, namentlich um die Elektronen (generell geladene Teilchen) zu erzeugen, und sie mit der anfänglichen kinetischen Energie auszustatten. Ansonsten kann diese CPU ohne jede zusätzliche Energiezufuhr arbeiten. Wenn eine CPU in der Größenordnung von Milliarden Gattern konstruiert wird, besteht natürlich eine Notwendigkeit, die Elektronen zu lenken, zu sammeln und wieder zu verwenden, was Energie erfordert. Jedoch ist im Prinzip in diesem neuen FPL-(Free Particles Logic; freie Teilchen-Logik)-Modell Energie nicht erforderlich. Dieses Modell kann verwendet werden, um die grundlegenden logischen Funktionen zu implementieren, Elektronen zu lenken und wiederzuverwenden, die Anzahl an Gattern zu vergrößern und die Gattergröße zu verkleinern. Des Weiteren kann dieses Konzept innerhalb jeder anderen Art von CPU, wie beispielsweise als ein Teilsatz einer CMOS-CPU, integriert sein.
Deshalb wird gemäß einem Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Verwendung beim Implementieren von einer oder mehreren logischen Funktionen dargestellt. Das Verfahren umfasst das Beeinflussen des mindestens ersten und zweiten Flusses des ersten und zweiten geladenen Teilchens mit gewisser kinetischer Energie, um selektiv die Interaktion zwischen dem ersten und zweiten geladenen Teilchen zu ermöglichen und dadurch selektiv den Ort der geladenen Teilchen zu beeinflussen, um dadurch selektiv ein geladenes Teilchen abhängig davon auszugeben, ob die Interaktion aufgetreten ist oder nicht, wobei das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des ausgegebenen geladenen Teilchens eine logische Funktion repräsentiert.
Bei einigen Ausführungsformen kann der erste Fluss des mindestens einen ersten geladenen Teilchens an eine Interaktionszone bereitgestellt werden, um die mindestens ersten und zweiten Flüsse zu beeinflussen und selektiv die Interaktion zwischen den ersten und zweiten geladenen Teilchen zu ermöglichen, während selektiv ein Eingabesfluss des mindestens einen zweiten geladenen Teilchens an die Interaktionszone bereitgestellt wird, sodass das mindestens eine zweite geladene Teilchen in einer Nähe der Interaktionszone im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Eintreffen des mindestens einen ersten geladenen Teilchens in der Interaktionszone eintrifft.
Der hier verwendete Ausdruck „im Wesentlichen gleichzeitig” bedeutet nicht zwangsläufig das gleichzeitige Eintreffen von interagierenden Partikeln in der Interaktionszone, sondern er entspricht dem Eintreffen der Partikel in der Interaktionszone mit einer ausreichenden Zeitdifferenz, sodass ein Abstand zwischen diesen in der Interaktionszone für die gegebenen kinetischen Energien der geladenen Teilchen die gewünschte Interaktion untereinander ermöglicht. Deshalb sollten die Ausdrücke „im Wesentlichen gleichzeitig” oder „im Wesentlichen zur gleichen Zeit”, die in der nachstehenden Beschreibung verwendet werden, breit ausgelegt werden als „fast gleichzeitig” oder „gleichzeitig genug”, sodass ein Abstand dazwischen (der sich aus einer Differenz in „der Zeit oder dem Eintreffen” ergibt) die gewünschte Interaktion ermöglicht. Es sollte auch berücksichtigt werden, dass die Interaktion zwischen dem ersten und zweiten Teilchen die Flugbahnen der Fortpflanzung der interagierenden Teilchen in Richtung auf die Ausgabeszone (oder Empfangszone) beeinflusst und deshalb den Ort der Teilchen in Bezug auf die Ausgangszone beeinflusst.
Die logischen Funktionen umfassen eines aus Folgendem: mindestens ein Logikgatter, eine Speicherfunktion und das Lenken der geladenen Teilchen, um unterschiedliche Teile einer elektronischen Vorrichtung miteinander zu verbinden.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt, um eine oder mehrere logische Funktionen zu implementieren, wobei die Vorrichtung einen oder mehrere Grundblocks umfasst und jeder Grundblock eine vorgewählte Anzahl an Eingängen von geladenen Teilchen und mindestens eine Interaktionszone umfasst, die einen Funktionsraum definiert, und mindestens einen Ausgabe von geladenen Teilchen in einem gewissen Abstand von der Interaktionszone, wobei die logische Funktion ein Resultat einer beeinflussten Interaktion zwischen den geladenen Teilchen ist.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt, um eine oder mehrere logische Funktionen zu implementieren. Die Vorrichtung umfasst einen oder mehrere Grundblocks, wobei jeder Grundblock eine vorbestimmte Anzahl an Eingängen für geladene Teilchen und mindestens einen Ausgabe für geladene Teilchen umfasst und der Grundblock konfiguriert und betriebsfähig ist, mindestens zwei geladene Teilchen einschließlich mindestens einem ersten geladenen Teilchen und mindestens einem zweiten geladenen Teilchen, zu lenken, um selektiv die Interaktion zwischen den mindestens zwei geladenen Teilchen zu ermöglichen, um die Bahnkurve der Fortpflanzung von mindestens einem der interagierenden geladenen Teilchen in Richtung auf den Ausgabe des Grundblocks zu bestimmen, wodurch der Ort des mindestens einen geladenen Teilchens in Bezug auf den Ausgabe des Grundblocks beeinflusst wird und daher selektiv eine Bedingung der Anwesenheit oder der Abwesenheit von mindestens einem der interagierenden geladenen Teilchen am Ausgabe des Grundblocks entsprechend einer gewünschten zu implementierenden logischen Funktion zu erzeugen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Prozessoreinheit bereitgestellt, die die oben beschriebene Vorrichtung in der Prozessoreinheit integriert umfasst und konfiguriert und betriebsfähig ist, zwischen unterschiedlichen Modulen der Prozessoreinheit eine Verbindung herzustellen, um Informationen dazwischen zu übertragen. Solch eine Prozessoreinheit kann eine CPU des konventionellen CMOS-basierten Systems sein.
Der Grundblock umfasst mindestens einen Kanal, der konfiguriert ist, um mindestens ein erstes geladenes Teilchen in Richtung auf die Interaktionszone zu lenken, in der dieses geladene Teilchen mit mindestens einem zweiten geladenen Teilchen interagieren kann, im Falle dass das zweite geladene Teilchen rechtzeitig vom entsprechenden Eingabe zu der Interaktionszone bereitgestellt wird. Es sollte selbstverständlich sein, dass der führende Kanal, der die ersten geladenen Teilchen bereitstellt, auch den Vorrichtungs-(Grundblock)Eingang darstellt. Es sollte auch verstanden werden, dass in einigen Fällen eines der geladenen Teilchen so genannte „aktiv geladene Teilchen” oder „vom System bereitgestellte geladene Teilchen” darstellt. Dies ähnelt generell der CMOS-basierten Technik, bei der der Eingabe zu einer Funktion auf logisch „1” oder logisch „0” „fest verdrahtet” ist. Bei einem oder mehreren anderen Eingängen können diese auch in der Form eines ähnlichen Kanals vorhanden sein, der zweite geladene Teilchen oder so genannte „eingegebene geladene Teilchen” lenkt, die Steuersignale präsentieren. Ein solcher Eingabeskanal definiert auch eine Interaktionsregion. Die Kanäle, die das erste und zweite geladene Teilchen lenken, sind so konfiguriert, dass die erste und zweite Interaktionsregion aneinander angrenzen oder sich mindestens teilweise überlappen und zusammen die Interaktionszone definieren. Der zweite Eingabe für geladene Teilchen wird gesteuert, sodass er selektiv das zweite geladene Teilchen in der Nähe der Interaktionszone im Wesentlichen gleichzeitig (d. h., fast gleichzeitig oder „gleichzeitig genug”) mit dem Eintreffen des mindestens einen ersten geladenen Teilchens in der Interaktionszone bereitstellt, um die gewünschte Interaktion zu ermöglichen. Das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des mindestens einen zweiten geladenen Teilchens in der Nähe der Interaktionszone zum Zeitpunkt, zu dem das erste geladene Teilchen in der Interaktionszone (die einen Funktionsraum präsentiert) eintrifft, gleicht logisch „1” und die Abwesenheit des zweiten geladenen Teilchens bei der Interaktion gleicht logisch „0” und die Interaktion zwischen dem ersten und zweiten Teilchen im „Funktionsraum” erzeugt den Ausgabe. Mit anderen Worten, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des zweiten geladenen Teilchens in der Nähe der Interaktionszone zum Zeitpunkt, zu dem das erste geladene Teilchen in der Interaktionszone eintrifft, bestimmt das Eintreffen oder Nichteintreffen eines geladenen Teilchens am Ausgabe des Grundblocks, was in einem logischen Ausgabe der Basiseinheit resultiert. Bei der Grundblockausgabe kann dies durch einen Detektor für geladene Teilchen, durch einen Eingabe eines nächsten Grundblocks oder durch irgendeinen anderen nächsten Schritt repräsentiert werden.
Deshalb werden gemäß der Erfindung anstatt Spannungen geladene Teilchen in einem Vakuum als Eingänge und Ausgänge des Logikgatters verwendet. Generell ist gemäß der erfundenen Technik eine logische Funktion ein Resultat einer beeinflussten Interaktion zwischen geladenen Teilchen, wie beispielsweise Elektronen oder Ionen (die am Vorrichtungseingabe und -ausgabe von der gleichen Art sein können oder auch nicht). Die Eingänge und die Ausgänge werden deshalb durch die Flüsse von geladenen Teilchen repräsentiert.
Es sollte beachtet werden, dass Vakuum auf einen Druck verweist, der niedrig genug ist, damit der Prozessor arbeiten kann.
Die in jeder Funktion verwendete Teilchenzahl hängt von der gewünschten Funktionalität ab und kann von einem einzelnen bis zu vielen Tausenden Teilchen pro Funktion variieren. Deshalb verweist der Ausdruck „geladenes Teilchen” auch auf die Möglichkeit, aus vielen Teilchen zu bestehen.
Generell ist der Kanal für geladene Teilchen eine hohle, langgestreckte Struktur, normalerweise eine schmale rohrförmige Struktur, die einen internen effektiven Vakuumhohlraum definiert (d. h., einen ausreichend niedrigen Druck und deshalb eine ausreichend lange mittlere freie Weglänge bereitstellend). Die Röhre ist aus einer geeigneten Materialzusammensetzung hergestellt, deren Oberflächenladungsenergie höher ist als die kinetische Energie der benutzten/verwendeten, geladenen Teilchen. Ein Beispiel eines geeigneten Materials für die Kanalstruktur ist ein Material, das eine Affinität für negative Elektronen (NEA) aufweist, wie beispielsweise Polyäthylen. Durch die NEA-Eigenschaft des Materials werden geladene Teilchen nicht vom Material eingefangen, die Ladung dringt nicht in das Material ein, und das Material des Kanals lenkt den Fluss der geladenen Teilchen entlang des Kanals. Die Interaktionszonen (Funktionsräume) können durch das Layout der Röhren definiert sein.
Ein anderes Beispiel eines solchen Materials ist SiO₂ (oder jeder andere geeignete Isolator). Der Isolator wird dabei als erster Schritt unter Verwendung geladener Teilchen mit Energie geladen, die höher ist als die Arbeitsenergie (d. h., die kinetische Energie der im System zu verwendenden Teilchen). Wenn die geladenen Teilchen beispielsweise Elektronen sind und die Arbeitsenergie 1 eV beträgt, dann bewegen sich innerhalb der Röhren beim ersten Schritt Elektronen mit einer Energie, die höher ist als 1 eV, wie beispielsweise 10 eV („Ladeschritt”). Dies füllt alle Oberflächenzustände der Röhren des Isolators bis zu 10 eV. Wenn dann die Arbeitsenergie von 1 eV für Elektronen verwendet wird, werden die Elektronen nicht von den Wänden der Röhren absorbiert, da es keinen freien Zustand bei dieser Energie gibt. Es ist zu bevorzugen, dass der Ladesprung mit ausreichend hoher Energie erfolgt, sodass die Vorrichtung während ihres Betriebs weniger von thermischen Änderungen beeinflusst wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Um die Erfindung zu verstehen und um zu sehen, wie sie in der Praxis ausgeführt werden kann, werden jetzt Ausführungsformen nur anhand nicht einschränkender Beispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
1A ein Blockdiagramm einer Vorrichtung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, um ein oder mehrere Logikgatter auszuführen;
1B schematisch das Funktionsschema eines Grundblocks der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
1C beispielhaft ein Interaktionsschema zwischen geladenen Teilchen entsprechend der logischen XOR-Funktion veranschaulicht;
2 ein spezifisches Beispiel der Konfiguration der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt, wie eine logische XOR-Funktion basierend auf der Interaktion zwischen zwei Elektronen ausgeführt werden kann;
3 das Interaktionsschema zur Implementierung eines NOT-Gatters innerhalb der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4 das Interaktionsschema zur Implementierung eines ODER/NOR-Gatters innerhalb der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
5 eine Zweistufenstruktur veranschaulicht, die unter Verwendung von PE als Substrat gebildet ist, um NOT- und XOR-Gatter zu implementieren;
6 beispielhaft ein Layout einer kompletten CPU veranschaulicht, die konfiguriert ist, eine Synchronisation und Wiederverwendung von Elektronen zu unterstützen;
7 beispielhaft eine Vorrichtung der Erfindung veranschaulicht, die als ein Verstärker (Elektronenvervielfacher) konfiguriert ist;
8 schematisch eine Vorrichtung veranschaulicht, die NEA-Material als eine Quelle von geladenen Teilchen mit sehr niedriger Energievariation und hoher Synchronisierung verwendet; und
9 schematisch die kopplungsstrukturbasierte Struktur der Erfindung unter Verwendung von PE-Röhren veranschaulicht, um Informationen von einem konventionellen Teil eines CPU-Systems zu einem anderen zu übertragen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf 1A wird mittels eines Blockdiagramms eine elektronische Vorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, um ein oder mehrere Logikgatter auszuführen. Vorrichtung 10 umfasst eine oder mehrere Basiseinheiten, wobei eine solche Vorrichtung 12 im vorliegenden Beispiel gezeigt wird, die konfiguriert und betriebsfähig ist, eine logische Funktion zu implementieren. Wie in der Abbildung gezeigt, ist eine Ausgabe 22 der Grundeinheit 12 an einen Empfänger 14 gekoppelt. Letzterer kann als ein Detektor oder als eine Grundeinheit der nächsten Ebene konfiguriert sein, um eine weitere logische Funktion zu implementieren, wobei der Ausgabe 22 der Vorrichtung 12 einen von einer Anzahl von Eingängen zur Grundeinheit 14 darstellt.
Die Grundeinheit 12 umfasst eine/n oder mehrere Fallen/Kanäle für geladene Teilchen 16, die einem oder mehreren Eingängen für geladene Teilchen 18 ausgesetzt sind, und weist einen Ausgabe (oder mehrere Ausgänge) 22 auf, der als Ausgabe der Grundeinheit 12 dient. Der Eingabe 18 dient dazu, selektiv ein Eingabessignal in der Form eines Flusses der geladenen Teilchen durch den Kanal 16 für die Interaktion zwischen mit unterschiedlichen Eingängen verbundenen geladenen Teilchen zu ermöglichen. Eine solche Interaktion tritt in einem gewissen Volumen oder Raum auf, der einen Funktionsraum darstellt. Letzterer kann durch eine Interaktionszone 20 definiert sein, die beispielsweise durch entsprechende Regionen der Kanäle 16 gebildet oder eine Region innerhalb eines speziellen Kanals sein kann. Wie nachfolgend beschrieben, kann der Eingabe 18 zur Interaktionsregion/-zone 20 des Kanals 16 durch die angrenzende oder überlappende Interaktionszone eines anderen ähnlichen Kanals gebildet sein.
Es sollte beachtet werden, dass die Anzahl von in einer einzelnen Funktion zu verwendenden Teilchen von einem einzelnen bis zu vielen Tausenden von Teilchen pro Funktion variieren kann. Deshalb verweist der Ausdruck „geladenes Teilchen” auch auf die Möglichkeit, viele Teilchen zu umfassen.
Ein geladenes Teilchen 15, das hier mitunter nachstehend als ein „Systemteilchen” oder „aktives Elektron” bezeichnet wird, befindet sich im Kanal 16 und kann sich durch Kanal 16 fortbewegen. Wenn es in Region 20 eintrifft, kann es dort mit einem oder mehreren anderen geladenen Teilchen 17 interagieren. Region 20 von Kanal 16 repräsentiert die Interaktionszone, in der die beabsichtigte Funktion auftritt. Wie bereits dargelegt, kann der Eingabe 18 für das Teilchen 17, dem die Interaktionsregion 20 des Kanals 16 ausgesetzt ist, durch einen ähnlichen Raum/eine ähnliche Region eines anderen Kanals für geladene Teilchen dargestellt werden, wie beispielsweise lokalisiert in der Nähe von und ausgerichtet auf Kanal 16. Des Weiteren können mehrere Instanzen von Eingabe 18 vorhanden sein, die von unterschiedlichen Stellen kommen und alle in Richtung auf die Interaktionszone 20 ausgerichtet sind. Der Ausgabe des Grundblocks 12, das heißt, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines geladenen Teilchens 15 oder 17 am Ausgabe 22 von Kanal 16 und dementsprechend am Empfänger 14 hängt von der Interaktion zwischen den Teilchen 15 und 17 in der Interaktionsregion 20 ab, d. h., vom Vorhandensein oder Nichtvorhandensein der Interaktion, der logischen Ausgabe der Grundeinheit 12. Deshalb stellt ein Raum/Volumen an der Ausgabe 20 von Kanal 16 selbst eine Funktion dar.
Es sollte beachtet werden, dass die Existenz des Systemteilchens 15 optional und von der zu erreichenden Funktionalität abhängig ist. Alternativ können zwei Eingabessignale von unterschiedlichen Stellen verwendet werden. Dies ist nachstehend unter Bezugnahme auf 1C veranschaulicht.
Die Kanäle des geladenen Teilchens 16 sind eigentlich aus einem geeigneten Material hergestellte Röhrchen, das heißt, einem Material, das eine Oberflächenladungsenergie aufweist, die höher ist als die Energie der geladenen Teilchen (d. h., deren kinetische Energie), was somit verhindert, dass die Ladung in das Material eindringt. Beispielsweise können Materialien verwendet werden, die eine Affinität zu negativen Elektronen (NEA) aufweisen, wie beispielsweise Polyäthylen. Die NEA-Eigenschaft des Materials bedeutet, dass die Elektronen nicht vom Material erfasst werden, und das Material des Kanals ihren Fluss ähnlich wie ein Rohr Wasser leitet. Ein anderes Beispiel solch eines Materials ist SiO₂ (oder jeder andere geeignete Isolator), das mit Elektronen vorgeladen ist. Dies wird weiter unten spezifischer beschrieben.
1B veranschaulicht schematisch das Funktionsschema des Grundblocks 12 der vorliegenden Erfindung. Hier werden die Eingänge 18 zur logischen Funktion durch das Vorhandensein oder die Abwesenheit von geladenen Teilchen (Elektronen) am Ausgabesvolumen 22 des Kanals für geladene Teilchen dargestellt. Beispielsweise entspricht das Vorhandensein eines Elektrons an der Eingabe 18 logisch „1” und dessen Abwesenheit an dieser Eingabe entspricht logisch „0”. Im „Funktionsraum” kann das Elektron mit einem anderen Elektron interagieren und somit die Ausgabe erzeugen. Das Elektron im Kanal weist kinetische Energie auf, die ihm beim Einschalten der Vorrichtung gegeben worden sein könnte. Das Elektron hält diese kinetische Energie während des gesamten Betriebs bis zum Ausschalten der Vorrichtung aufrecht. Die Abstoßungs-Coulomb-Kraft zwischen Elektronen ist verglichen mit anderen Kräften enorm. Deshalb kann die heutige Technologie, die es ermöglicht, nanometrische Hohlräume (Funktionsräume) zu bilden, verwendet werden, um dem Funktionsraum zu ermöglichen, sogar bei einem einzelnen Elektron pro Eingabe zu arbeiten.
Das Resultat der Interaktion, die in der Interaktionsregion 20 auftritt, ist die Abwesenheit oder Anwesenheit eines Elektrons (15 oder 17 in 1A) in einem gewissen Abstand von der Region 20, wo sich der Ausgabe 22 des Kanals befindet und wo der Empfänger (Detektor) oder ein weiterer Kanal, der das Teilchen lenkt, platziert werden kann. Deshalb wird gemäß der Technik der Erfindung eine Zustandsänderung (logisch „0” oder „1”) durch eine Änderung der Position (des Ortes) des Teilchens bestimmt, die sich beispielsweise aus der Bahnkurve des Teilchens ergibt, welche durch die Interaktion mit einem anderen Teilchen beeinflusst ist, anstatt der konventionell verwendeten Änderung der potenziellen Energie eines Materials. Mit anderen Worten verwendet die Erfindung eine Änderung der Ladungsdichte im Raum anstatt einer Änderung der Spannung eines Materials.
1C veranschaulicht schematisch ein Interaktionsschema zwischen geladenen Teilchen (Elektronen). Bei diesem Beispiel entspricht die Interaktion der XOR-Logikfunktion.
Angenommen zwei Elektronen E₁ und E₂ (welche die Teilchen 17 von 1A darstellen) weisen die gleiche kinetische Energie auf und bewegen sich im Vakuum. Um ihre Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten, ist keine Energie erforderlich. Wenn sie sich nahe kommen, stossen sie sich gegenseitig ab. Die Abstossung ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes zwischen den beiden (die Coulomb-Kraft). Dies bedeutet, dass sie nur dann in einer erfassbaren Weise interagieren, wenn sie sich „nahe genug” kommen.

Mittels unterschiedlicher Strukturen von Röhren (Kanäle) können alle grundlegenden logischen Funktionen, einschließlich Speicherfunktion und Funktionen mit einer Fan-Out-Zahl größer oder gleich eins implementiert werden. Um die Zeit, die benötigt wird, bis die Interaktion auftritt, sowie den anfänglichen Abstand, der zwischen den interagierenden Elektronen erforderlich ist, einzuschätzen, wurden mehrere Berechnungen durchgeführt. Die Resultate sind in der nachstehenden Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 1:

Anfänglicher Abstand zwischen den zwei Elektronen	Die Zeit, die die Elektronen benötigen, um einen Abstand zu erreichen, der 3 Mal der anfängliche Abstand ist
1 μm	0,2 ns
100 nm	5 ps
10 nm	0,2 ps

Wie in 2 weiter ausgeführt werden wird, repräsentiert das Obige die logische XOR-Funktion. Die Röhre, die das Resultat der XOR-Funktion enthält (d. h., der Ausgabe 22 des Grundblocks), kann das Elektron zum Eingabe der nächsten logischen Funktion weiterleiten.
Unter Bezugnahme auf 2 wird ein spezielles, aber nicht begrenzendes Beispiel der Konfiguration der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung gezeigt. Im vorliegenden Beispiel ist die Vorrichtung konfiguriert, um eine logische XOR-Funktion basierend auf zwei Elektronen E₁ und E₂ innerhalb einer Struktur auszuführen, die in einem Vakuum betrieben wird. Die Vorrichtung 10 umfasst zwei Kanäle C₁ und C₂ (die die Kanäle/Eingänge 16 und 18 in 1A darstellen), die durch die kleinen Röhren T₁ und T₂ aus Polyäthylen (PE) definiert und unter Vakuumsind. Das PE-Material weist eine NEA von ca. –2,92 eV auf.
In diesem speziellen nicht begrenzenden Beispiel weisen die Röhren T₁ und T₂ Abschnitte auf, die sich im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken und innerhalb der Regionen R₁ und R₂ „durchbrochen” sind, was einen Freiraum oder Interaktionsräume 20 definiert, die aufgrund der relativen Anordnung der Röhren eine Interaktion zwischen den Elektronen E₁ und E₂ ermöglichen, die sich durch die Röhren fortbewegen. Diese gebrochenen Regionen können durch Strukturierung (Ätzung) der Struktur der Röhre oder durch Beschichtung einer bereits gemusterten Struktur gebildet sein. Das Vorhandensein des Elektrons E₁ in der Interaktionsregion 20 entspricht einer Eingabe gleich logisch „1”, und die Abwesenheit des Elektrons E₁ in der Interaktionsregion 20 entspricht einer Eingabe gleich logisch „0”.
Wie oben angegeben, weisen die Elektronen kinetische Energie auf, die sie empfangen haben, bevor die Interaktion begann, beispielsweise, als die Vorrichtung eingeschaltet wurde, und sie halten mehr oder weniger diese kinetische Energie während des gesamten Betriebs der Vorrichtung aufrecht, bis sie ausgeschaltet wird. Die Elektronen E₁ und E₂ treten in die kleinen PE-Röhren ein – die NEA-Eigenschaft des PE bedeutet, dass diese Elektronen nicht durch das PE-Material erfasst werden – und das PE-Material lenkt sie durch die Röhren. In den Interaktionszonen 20 können die Elektronen durch gegenseitige Abstoßung aufgrund der ihnen innewohnenden Coulomb-Kraft interagieren.
Wenn nur entweder Elektron E₁ oder Elektron E₂ in der Interaktionsregion 20 vorhanden ist, dann bewegt sich das Elektron direkt entlang dem Pfad/der Bahnkurve P₁ oder P₂ fort und tritt bei der Röhrenausgabe 22 aus. Wenn jedoch sowohl das Elektron E₁ als auch das Elektron E₂ in den Interaktionszonen 20 vorhanden ist, stoßen diese sich ab, was die Bahnkurve der Fortbewegung beeinflusst, und folgen der Spur G. In diesem Fall tritt kein Elektron in die Ausgabesröhre ein. Es ist selbstverständlich, dass beide Elektronen in den Interaktionszonen 20 im Wesentlichen zur gleichen Zeit oder generell in einer ausreichend nahen Zeit vorhanden sein sollten, damit diese Interaktion auftreten kann. Wenn es keine Elektronen gibt, die in den Eingabe eintreten, bleibt auch die Ausgabesröhre leer.

Der oben beschriebene Vorrichtungsbetrieb ist in der folgenden Tabelle 2 zusammengefasst. Tabelle 2:

Eingabe Elektronen	Aktion	Ausgabesröhre
Nur Elektron E₁ ist vorhanden	Das Elektron E₁ fliegt dem Pfad P₁ folgend und tritt durch die Ausgabesröhre 22 aus	Elektron E₁ bewegt sich hinaus
Nur Elektron E₂ ist vorhanden	Das Elektron E₂ fliegt dem Pfad P₂ folgend und tritt durch die Ausgabesröhre aus	Elektron E₂ bewegt sich hinaus
Sowohl Elektron E₁ als auch Elektron E₂ ist vorhanden	Die Elektronen E₁ und E₂ erreichen den Funktionsraum 20 und stoßen einander ab; sie folgen beide der Spur G	Bleibt leer
Keine Elektronen sind im Eingabe vorhanden	Nichts geschieht	Bleibt leer

Mit dem Zustand „Elektron ist vorhanden” als logisch „1” und dem Zustand „Elektron ist nicht vorhanden” als logisch „0” fasst die folgende Tabelle 3 den Vorrichtungsbetrieb zusammen. Tabelle 3:

Eingabe 1 (Eingabe Elektron E₁) Eingabe 2 (Eingabe Elektron E₂) Ausgabe

„0” „1” „1”

„1” „0” „1”

„1” „1” „0”

„0” „0” „0”
Die obige Tabelle 3 repräsentiert eine Wahrheitstabelle für die logische XOR-Funktion. Die Röhre, die das Resultat der XOR-Funktion enthält (d. h., der Ausgabe 22 des Grundblocks), kann das Elektron zum Eingabe der nächsten logischen Funktion oder zu jedem anderen nächsten Schritt weiterlenken/weiterleiten.
3 zeigt das Interaktionsschema für die Implementierung eines NOT-Gatters (Invertierungsfunktion) innerhalb der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung. Das dunkle Elektron E₁ bezeichnet das „Systemelektron” (15 in 1A), das vom System bereitgestellt wird und nicht vom Eingabe abhängt, und das helle Elektron E₂ und Ausgabe bezeichnet jeweils das Eingabe-(Steuer)-Signal 13 und die Ausgabe. Tabelle 4 präsentiert die Wahrheitstabelle für die NOT-Funktion. Tabelle 4:

Eingabe (Elektron E₂) Vorrichtungsausgabe

„0” „1”

„1” „0”
4 zeigt Schaltbilder des Vorrichtungsbetriebs für ODER- und NOR-Funktionen. Das Elektron E₁ ist ein vom System bereitgestelltes Elektron (d. h., sein Vorhandensein ist nicht von den Eingängen abhängig), E₂ und E₃ sind die Eingabeselektronen und Ausgabe A und Ausgabe B bezeichnen jeweils ODER- und NOR-Ausgabessignale. Die Wahrheitstabelle für die ODER/NOR-Funktionen ist in der nachstehenden Tabelle 5 dargestellt. Tabelle 5 (die Wahrheitstabelle für die ODER/NOR-Funktionen):

Eingabe 1 Eingabe 2 Ausgabe A Ausgabe B

„0” „1” „1” „0”

„1” „0” „1” „0”

„1” „1” „1” „0”

„0” „0” „0” „1”
Wird Ausgabe A als die Ausgabe dieser Tabelle verwendet, erhält man eine ODER-Funktion. Wenn Ausgabe B als das Ausgabessignal genommen wird, dann implementiert diese Funktion NOR.
Zu beachten ist, dass bei dieser Funktion die Anzahl an Eingängen nicht physikalisch begrenzt ist. Es ist ausreichend, dass sich ein Elektron in der Eingabe befindet, um das „System”-Elektron E₁ zum Ausgabe umzulenken. Das Synchronisieren der Eingänge wird nachfolgend näher beschrieben.
Es ist selbstverständlich, dass gemäß den Theoremen von DeMorgan immer die NOR-Stufe verwendet werden kann, um jede logische Funktion, einschließlich AND/NAND, zu implementieren.
Es sollte beachtet werden, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung mehrere Grundeinheiten, von denen jede mindestens ein Logikgatter implementiert, konfiguriert werden können, sodass sie zusammenarbeiten. Insbesondere kann die Ausgabe eines ersten logischen Gatters als Eingabe für ein zweites logisches Gatter verwendet werden. Unter Bezugnahme auf 5 werden Schaltbilder gezeigt, wie eine Zweistufenstruktur unter Verwendung von PE als Substrat ausgelegt werden kann, um ein XOR-Gatter zu implementieren, dessen Ausgabe die Eingabe für das folgende NOT-Gatter darstellt. Das in der Abbildung veranschaulichte Struktur-Layout implementiert zwei Booleschen Funktionen; hier umfassen die Eingänge 18 der Stufe I die Eingänge „a” und „b”, wobei „a” Eingabe 1 bezeichnet und „b” Eingabe 2 bezeichnet; und der schwarze Kreis bezeichnet das „aktive” Elektron oder „System”-Elektron E, das im Kanal bereitgestellt wird und weder von Eingabe „a” noch von Eingabe „b” abhängig ist. Die Kurven P₁, P₂ und P₃ bezeichnen die möglichen Flugbahnen für geladene Teilchen, die in das System an den Eingängen „a” und „b” eintreten, und für das Systemelektron E. Es sollte beachtet werden, dass diese entweder individuelle (einzelne) Elektronen oder vielfache Elektronen sein können.
Basierend auf dem Obigen kann eine kleine CPU mit zwei Stufen implementiert werden. Diese CPU umfasst eine NOT-(XOR-(a, b))-Funktion mit den Eingängen „a” und „b”.
Wie oben angegeben, sollten die Elektronen vorzugsweise ohne Energieverlust durch das gesamte System gelenkt werden. Das Rohrmaterial soll die Elektronen beim Zusammenstoss elastisch streuen, wie beispielsweise ein geeigneter Polymerwerkstoff wie Polyäthylen oder Parylen. Generell weist ein solches Material eine NEA von mindestens ca. 1,5 eV auf. Dies ermöglicht die Verwendung von Elektronen von bis zu ungefähr 1 eV. Wenn Elektronen mit Energien, die niedriger sind als die NEA des Rohrmaterials, an der Rohrwand kollidieren, ist die Streuung elastisch.
Es ist auch zu beachten, dass solch ein NEA-Material, das Elektronen nicht ermöglicht, in es einzudringen, wenn ihre kinetische Energie unter einer gewissen Energieschwelle liegt, für andere Anwendungen verwendet werden kann und nicht nur für die FPL. Es kann als eine Elektronenlenkung betrachtet werden, selbst wenn die Elektronen bei Kollision mit dem Substrat keine komplette elastische Streuung erfahren. Des Weiteren können sich die Elektronen innerhalb einer geschlossenen Röhre befinden und sich darin anhand eines externen Feldes fortbewegen und dabei auch als ein „Feldleiter” agieren. Ein Beispiel solch einer Verwendung sind Kopplungsstrukturen in CPUs. Dies wird nachstehend weiter veranschaulicht.
Es sollte beachtet werden, dass bei allen oben beschriebenen Vorrichtungen ein Metall in deren Umgebung gebracht werden kann, das mit einem konstanten Potenzial verbunden ist, um ein Elektron zu deaktivieren, das mit einem anderen interagiert, bevor die „Interaktionszone” beginnt. Alternativ ist eine unterschiedliche Herangehensweise, die Elektronen des gleichen Gatters bereits innerhalb der Röhren interagieren zu lassen. Dann können sie entweder den ganzen Weg innerhalb der Röhren zurücklegen (z. B. Röhren, die sich in zwei oder mehr aufspalten) oder die Röhren an festgelegten Stellen verlassen und wieder in eine weiterführende Röhre eintreten.
Elektronen, die sich in nahe beieinander liegenden Kanälen bewegen, können miteinander interagieren und Störungen (Übersprechen) bewirken. Dies kann vermieden oder mindestens erheblich reduziert werden durch Hinzufügen einer geerdeten Metallschicht zwischen nahe beieinander liegende Kanäle, Um hohe Frequenzen zu erreichen (d. h., über einigen Ghz), müssen die Erdleiter dies unterstützen, was eine ernsthafte Begrenzung bei hohen Frequenzen darstellen könnte. Eine bevorzugte Lösung ist, die Kanäle zu beabstanden, um ein Übersprechen zu vermeiden. Die Dielektrizitätskonstante von PE (2, 6) unterstützt bei der Reduzierung eines solchen Übersprechens.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann auch als ein Speichermodul konfiguriert sein. Es gibt grundlegend drei Optionen, um Speichermodule zu implementieren. Die direkte ist, die obigen Funktionen wie bei einem Flipflop zu verwenden. Eine Alternative ist, über dem Chip einen Bereich zu platzieren, worin Elektronen gespeichert werden können. Die Speicherung der Elektronen kann entweder anhand von Elektronenfallen erfolgen mittels eines Magnetfelds, das in dieser Region angelegt wird, oder anhand einer Elektronenfangoberfläche, die das Elektron speichert und es durch das Anlegen eines elektrischen Potenzials freigibt.
Wie bereits dargelegt, sollten alle Elektronen, die interagieren müssen, vorzugsweise synchronisiert sein, damit eine CPU, die auf dem Konzept der freien Teilchen-Logik der Erfindung basiert, richtig arbeitet. Außerdem sollten die Elektronen vorzugsweise nach der Interaktionszeit erneut benutzt werden. In diesem Zusammenhang wird Bezug genommen auf 6, die ein Layout einer kompletten CPU veranschaulicht, um die Synchronisation und Wiederverwendung von Elektronen zu unterstützen. Im Allgemeinen ist der Chip in drei hauptsächliche Schichten unterteilt. Die Grundschicht: „Ebene 0” ist diejenige, bei der alle verwendeten Elektronen umgelenkt werden. „Ebene 1” ist diejenige, bei der alle Interaktionen erfolgen. „Ebene II” ist die Elektronenbeschickung. Von dieser Ebene werden alle Elektronen, die verwendet wurden, neu verteilt. Die Steuerung zwischen den Stufen erfolgt durch ein elektrisches Feld. Sobald sie die bezeichnete Ebene erreichen, werden die Elektronen mit wohl definierter kinetischer Energie ausgestattet. Nach dieser Stufe schreiten die Elektronen frei in einem Vakuum fort, bis sie interagieren. Die „nicht mehr erforderlichen” Elektronen werden dann zur Ebene 0 umgelenkt und der Rest geht in der Ebene I zur nächsten Stufe der logischen Funktion weiter. Die Elektronen der Ebene 0 werden zur Ebene II zur Wiederverwendung gelenkt. Ein jeder solcher Zyklus entspricht einem Taktzyklus, der aus drei Teilen besteht: Ebene II -> Ebene I -> [Ebene 0 oder Ebene I]. Energie muss in die Umlenkungs- und Lenkungsstufen investiert werden. Die Energie, die beim Übergang von der Ebene I zur Ebene 0 verwendet wird, ist sehr niedrig, da die Entfernung, die sie überwinden müssen, gering ist. Die größten Energieverbraucher sind die Übergänge von der Ebene II zur Ebene I und von der Ebene 0 zur Ebene II, die mit der Verwendung einer Kreisbewegung minimiert werden können.
Die Verwendung eines Elektrons pro Stufe mag nicht in der Lage sein, eine Ausgabesleitung anzusteuern oder eine Fan-Out-Zahl größer als Eins zu erzeugen (solange Quanteneffekte vermieden werden). Deshalb müssen in diesen Fällen Elektronen einen Vervielfachungsprozess erfahren. Dies kann durch ihr Beschleunigen in einem Hochfeld und dem Bewirken einer sekundären oder lawinenartigen Emission von einem Halbleiter (wie er in der 3 Generation von Bildverstärkern verwendet wird) erreicht werden. Eine alternative Lösung wäre, eine größere Elektronenzahl im gesamten System zu verwenden (beispielsweise 100 Elektronen pro Stufe). Die vorliegende Erfindung stellt eine neue Lösung für dieses Problem bereit, die generell auch für andere Anwendungen verwendet werden kann, bei denen eine Multiplikation von Elektronen erforderlich ist, wie beispielsweise Sehfähigkeit bei sehr schwachem Licht basierend auf Fotokathoden. Die Basis für die Elektronenvervielfachung ist die Verwendung der Coulomb-Kraft. Mit der Verwendung der heutigen Technologie, die es ermöglicht, nanometrische Hohlräume zu gestalten, kann eine enge Interaktion zwischen den zwei oder mehr geladenen Teilchen erzeugt werden, was als ein Verstärker agiert.
7 zeigt schematisch die Grundstruktur einer solchen Verstärker(Elektronenvervielfacher)-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung. Hier bezeichnet „a” ein Eingabessignal, in diesem Fall ein Elektron, das zu multiplizieren ist, „b” bezeichnet einen Elektronenstrahl, der durch eine Quelle generiert wird, die einen Teilchenstrahl mit einer schmalen Richtungsverteilung (beispielsweise mittels Feldemission) emittiert, und die gestrichelten Linien L1 und L2 bezeichnen die möglichen Flugbahnen für „a” und „b”. Es ist zu beachten, dass diese entweder individuelle (einzelne) Elektronen oder Elektronenströme (Strahl) sein können. Damit die Elektronen den Flugbahnen folgen, die durch die Linien L1 und L2 bezeichnet sind, sollten sie nicht von den Wänden des Substrats W gefangen werden. Wie bereits dargelegt, kann ein NEA-Material als ein Substrat verwendet werden, um dies zu erreichen. Der Empfänger 14 an der Vorrichtungsausgabe hat die Form eines Elektrodenarrays 14A, 14B, 14C. Die Coulomb-Kraft erzeugt eine ausreichend große Ablenkung des Ausgabesstrahls. Wenn es keinen Eingabe gibt, dann zeigt nur „Ausgabeselektrode 0” 14A einen Strom. Wenn nur ein Elektron in Eingabe „a” existiert, dann zeigt nur „Ausgabeselektrode 1” 14B einen Strom. Wenn eine größere Elektronenzahl im Eingabe existiert, dann zeigt „Ausgabeselektrode 2” 14C einen Strom. Die Zahl an Elektroden kann weiter entsprechend der erforderlichen Genauigkeit gesteigert werden. Eine alternative Lösung im Zusammenhang mit einer Vorrichtung, die auf freier Teilchen-Logik basiert, ist, ein NOT-Gatter (Inverter) mit mehr als einem System-(„aktives”)-Elektron zu verwenden.
Außerdem kann ein solches NEA-Material als eine Quelle von geladenen Teilchen mit sehr niedriger Energievariation und hoher Synchronisierung verwendet werden. In diesem Zusammenhang wird Bezug genommen auf 8. Hier ist ein Kanal (Röhre) für geladene Teilchen 16 aus PE oder irgendeinem anderen NEA-Material dargestellt. Die schwarzen Kreise repräsentieren geladene Teilchen, generell bei E, die von einem Emitter für geladene Teilchen (z. B. ein Feldemitter) generiert werden. Wie gezeigt, wird eine Anordnung einer Elektrode 24 geeignet bereitgestellt, um ein erforderliches elektrisches Feld zu erzeugen.

Im ersten Schritt ist V1 mit einer positiven Spannung ausgestattet. Diese Spannung ist ausreichend hoch, um ein geladenes Teilchen, aber nicht mehr, anzuziehen. Dies kann anhand der Kapazität zwischen der Elektrode V1 und der Masseelektrode gesteuert werden. Wenn diese Kapazität beispielsweise in der Größenordnung von 10^–19 F liegt, bedeutet dies, dass ein einzelnes, von dieser Elektrode gefangenes geladenes Teilchen das Potenzial zwischen den Elektroden um 1 Volt ändert. Wenn V1 auf ungefähr 1 V eingestellt wird, kann daher nicht mehr als ein geladenes Teilchen dort gefangen sein. Während dieses Vorgangs wird V2 auf Erdpotenzial gehalten. V3 wird auf einem geringen negativen Potenzial gehalten. Es sollte beachtet werden, dass eine Isolierung (des PE) zu allen Elektroden besteht, was bedeutet, dass die geladenen Teilchen, die gefangen sind, in die Elektrode selbst nicht eintreten, sondern nur von ihr erfasst werden können. Im zweiten Schritt bleibt das Potenzial bei V1 und V2 wie es ist, während das Potenzial von V3 sich zu positiv ändert (z. B. +0,5 V), um alle freien geladenen Teilchen anzuziehen. Im dritten Schritt wird V2 auf einen positiven Wert, wie beispielsweise +1 V, geändert. Nur nachdem die Spannung an V2 stabilisiert ist, wird V1 auf 0V geändert. Dies ermöglicht dem geladenen Teilchen, sich von der Elektrode V1 zur Elektrode V2 zu bewegen. Im vierten Schritt wird das Potenzial bei V2 auf –0,5 V geändert. Dies wird die kinetische Energie der emittierten geladenen Teilchen sein. Diese Abfolge ist in der folgenden Tabelle zusammengefasst. Tabelle 8:

Schritt	V1	V2	V3	Resultat
1	+1 V	0 V	–0,5 V	Ein einzelnes geladenes Teilchen wird von der Elektrode V1 gefangen
2	+1 V	0 V	+0,5 V	Alle verbleibenden freien geladenen Teilchen werden von der Elektrode V3 erfasst
3	0 V	+1 V	potenzialfrei	Das einzelne von V1 gefangene geladene Teilchen wird freigegeben und von V2 gefangen. In diesem Schritt ist es wichtig, dass V2 seinen Wert vor dem Ändern von V1 erreicht.
4	0	–0,5 V	potenzialfrei	Dem einzelnen geladenen Teilchen wird eine Anfangsenergie gleich dem Wert von V2 (in eV) gegeben. In diesem Schritt ist es wichtig, den Wert von V2 in den gesamten Röhren zu ändern. Dies synchronisiert alle geladenen Teilchen gemeinsam.

Wie bereits dargelegt können sich geladene Teilchen innerhalb einer geschlossenen Röhre aus NEA-Material (oder einem vorgeladenen Isolator) befinden und sich innerhalb davon anhand eines externen Feldes bewegen und deshalb als ein „Feldleiter” agieren. Ein Beispiel einer solchen Verwendung sind Kopplungsstrukturen in CPUs. In diesem Zusammenhang wird Bezug genommen auf 9, die schematisch kopplungsstrukturbasierte Strukturen unter Verwendung von PE-Röhren veranschaulicht.
Simulationen haben gezeigt, dass die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise das Implementieren einer Kopplungsstruktur in einer aktuellen CMOS-CPU, beispielsweise in der Form einer Kopplungsstruktur zwischen Kernen, bereitstellt. Die gleiche Technik für einen Signaltransport kann, basierend auf der freien Teilchen-Logik, verwendet werden, um Informationen von einem konventionellen Teil eines Systems der CPU zu einem anderen zu übertragen. 9 zeigt ein Beispiel des Implementierens einer Kopplungsstruktur unter Verwendung des obigen Konzepts. Diese Struktur umfasst eine Röhre 40 aus NEA-Material (oder einem vorgeladenen Isolator), die an beiden Enden geschlossen ist und ein Vakuum im Inneren aufweist. Geladene Teilchen, generell bei E, werden innerhalb der Röhre 40 positioniert, bevor die Röhre unter Vakuum abgedichtet wird. Die Röhre 40 befindet sich zwischen einer Sendeeinheit 42 und einer Empfangseinheit, die durch die Anordnung 44 der Elektrode oder den kapazitiven oder induktiven Abnehmer 46 gebildet wird. An einem Ende 40A der Röhre einer sogenannten Sendeseite wird ein Feld erzeugt, um entweder die Elektronen E anzuziehen oder abzustoßen. Dies kann beispielsweise unter Verwendung der Anordnung 42 der Elektrode einschließlich einer Sendeelektrode 42A und einer Vergleichselektrode 42B und dem Anlegen einer Spannung V_t zwischen diesen Elektroden erfolgen. Wenn das Signal „1” gesendet werden muss, wird die Spannung V_t angelegt, um eine anfängliche kinetische Energie an die geladenen Teilchen E bereitzustellen (z. B. wird die Spannung V_t geeignet modifiziert). Die geladenen Teilchen E bewegen sich in Richtung auf das andere Ende 40B der Röhre 40, das eine sogenannte Empfangsseite ist. Diese Empfangsseite erfasst das Eintreffen der geladenen Teilchen beispielsweise anhand einer Änderung der Spannung V_r zwischen Empfangs- und Vergleichselektrode 44A und 44B von der Anordnung 44 der Elektroden oder anhand eines Abnehmerrings (kapazitiver oder induktiver Abnehmer) 46. Wenn das Signal „0” gesendet werden muss, dann hält V_t die geladenen Teilchen auf der Sendeseite.
Es sollte beachtet werden, dass eine Verwendung unterschiedlicher Werte für V_t die Spannung V_r unterschiedlich beeinflusst oder unterschiedliche Spannungen im Abnehmerring erzeugt. Dieser Effekt kann verwendet werden, um mehr als einen Wert in einem einzelnen „Taktzyklus” zu übertragen (z. B.: „1”, „2”, „3”, usw.).
Die gleiche Vergleichselektrode kann sowohl für Sende- als auch Empfangselektrodenanordnungen verwendet werden. Die Vergleichselektrode kann sich irgendwo befinden und muss sich nicht zwangsläufig in der Nähe der Sende- oder Empfangselektroden 42A und 44A befinden.
Die Röhre selbst kann gebogen oder in sich geschlossen (z. B. ringmäßig) sowie mit mehr als einem Empfänger verbunden sein. Des Weiteren können die Rollen der Sender- und Empfängerelektroden entsprechend einer speziellen Notwendigkeit während des Betriebs der CPU getauscht werden.
Deshalb stellt die vorliegende Erfindung eine neue Herangehensweise für eine Vorrichtung bereit, die fähig ist, verschiedene logische Funktionen sowie Speicher zu implementieren und geladene Teilchen zwischen gewünschten Orten zu lenken. Gemäß der Erfindung wird anstatt Spannungen die Fortpflanzung von freien Teilchen in einem Vakuum als Eingänge und Ausgänge des Logikgatters verwendet. Generell ist gemäß der erfundenen Technik eine logische Funktion ein Resultat einer gesteuerten Interaktion zwischen geladenen Teilchen, wie beispielsweise Elektronen oder Ionen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7847596 [0003]
US 7545179 [0003]

Claims

Ein Verfahren für die Verwendung beim Implementieren von einer oder mehreren logischen Funktionen, wobei das Verfahren umfasst: mindestens erste und zweite Flüsse von ersten und zweiten geladenen Teilchen mit gewisser kinetischer Energie zu beeinflussen, um selektiv die Interaktion zwischen den ersten und zweiten geladenen Teilchen zu ermöglichen und dadurch selektiv den Ort der geladenen Teilchen zu beeinflussen und dadurch selektiv ein ausgegebenes geladenes Teilchen abhängig davon, ob die Interaktion aufgetreten ist oder nicht, und abhängig vom Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des ausgegebenen geladenen Teilchens, das eine logische Funktion präsentiert, bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Beeinflussen der mindestens ersten und zweiten Flüsse, um selektiv die Interaktion zwischen den ersten und zweiten geladenen Teilchen zu ermöglichen, umfasst: das Bereitstellen des ersten Flusses des mindestens einen ersten geladenen Teilchens an eine Interaktionszone, während selektiv ein Eingabesfluss des mindestens einen zweiten geladenen Teilchens an die Interaktionszone bereitgestellt wird, sodass das mindestens ein zweite geladene Teilchen in einer Nähe der Interaktionszone im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Eintreffen des mindestens einen ersten geladenen Teilchens in der Interaktionszone eintrifft.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten und zweiten geladenen Teilchen Elektronen sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten und zweiten geladenen Teilchen Ionen sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten und zweiten geladenen Teilchen Elektronen und Ionen umfassen.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die interagierenden ersten und zweiten geladenen Teilchen gleiche oder unterschiedliche kinetische Energien aufweisen.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die eine oder die mehreren logischen Funktionen mindestens eines aus Folgendem umfassen: mindestens ein Logikgatter, eine Speicherfunktion, die geladene Teilchen lenkt, um unterschiedliche Teile einer elektronischen Vorrichtung miteinander zu verbinden.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend das Bereitstellen der ersten und zweiten Teilchenflüsse durch jeweilige erste und zweite Kanäle, welche erste und zweite Interaktionsräume aufweisen, die aneinander angrenzen oder sich mindestens teilweise überlappen, um eine Interaktionszone zu definieren.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Material von jedem der Kanäle eine Oberflächenladungsenergie aufweist, die höher ist als die kinetische Energie des entsprechenden Teilchens.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 7 bis 9, umfassend das Bereitstellen der Erstsynchronisierung der geladenen Teilchen in jedem der Kanäle und das Aufrechterhalten der Synchronisation.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Erstsynchronisierung bereitgestellt wird durch das Erzeugen von Wolken der geladenen Teilchen und das Fangen der geladenen Teilchen in den Kanälen an bestimmten Startpunkten in den Kanälen, das Anlegen eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes, welches die Absorption des Überschusses des geladenen Teilchens durch eine zugehörige Elektrode bewirkt, und das Anlegen eines elektrischen Signals, das allen eingefangenen Teilchen deren anfängliche kinetische Energie zur gleichen Zeit bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, umfassend das Auswählen einer Länge für jeden der Kanäle, um die Synchronisation aufrechtzuerhalten.
Eine Vorrichtung, um eine oder mehrere logische Funktionen zu implementieren, wobei die Vorrichtung einen oder mehrere Grundblocks umfasst, von denen jeder eine vorbestimmte Anzahl an Eingängen für geladene Teilchen, mindestens eine Interaktionszone, die einen Funktionsraum definiert, und mindestens einen Ausgabe für geladene Teilchen in einem gewissen Abstand von der Interaktionszone umfasst, wobei die logische Funktion ein Resultat einer beeinflussten Interaktion zwischen den geladenen Teilchen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Grundblock konfiguriert und betriebsfähig ist, mindestens zwei geladene Teilchen, einschließlich mindestens einem ersten geladenen Teilchen und mindestens einem zweiten geladenen Teilchen, in Richtung auf die Interaktionszone zu lenken, um selektiv die Interaktion zwischen den mindestens zwei geladenen Teilchen zu ermöglichen, sodass diese in der Interaktionszone auftritt und die Bahnkurve der Fortpflanzung von mindestens einem der interagierenden geladenen Teilchen in Richtung auf den Ausgabe des Grundblocks beeinflusst wird, wodurch der Ort von mindestens einem der interagierenden geladenen Teilchen in Bezug auf den Ausgabe des Grundblocks beeinflusst und somit selektiv das Erzeugen einer Bedingung der Anwesenheit oder der Abwesenheit von mindestens einem der interagierenden geladenen Teilchen am Ausgabe des Grundblocks entsprechend einer gewünschten zu implementierenden logischen Funktion beeinflusst wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Grundblock mindestens einen Kanal für geladene Teilchen umfasst, der den Eingabe des Grundblocks darstellt, und wobei der Kanal des geladenen Teilchens konfiguriert ist, dort hindurch das mindestens eine erste geladene Teilchen in Richtung auf die Interaktionszone zu lenken, wo das erste geladene Teilchen mit mindestens einem zweitem geladenem Teilchen interagieren kann.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Eingänge Kanäle für geladene Teilchen umfassen und jeder Kanal mindestens eine Interaktionsregion aufweist, wobei die Kanäle so angeordnet sind, dass mindestens eine Interaktionsregion eines Kanals an mindestens eine Interaktionsregion eines anderen Kanals angrenzt oder diesen mindestens teilweise überlappt, um zusammen die Interaktionszone zu definieren.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die eine oder die mehreren logischen Funktionen mindestens eines aus Folgendem umfassen: mindestens ein Logikgatter, eine Speicherfunktion, die geladene Teilchen lenkt, um unterschiedliche Teile einer elektronischen Vorrichtung miteinander zu verbinden.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 15 bis 17, wobei der Kanal für geladene Teilchen eine hohle lang gestreckte Struktur ist, die einen internen effektiven Vakuumhohlraum definiert.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die hohle lang gestreckte Struktur ein oder mehrere rohrförmige Elemente umfasst und das rohrförmige Element aus einer Materialzusammensetzung hergestellt ist, welche Oberflächenladungsenergie aufweist, die höher ist als die kinetische Energie der geladenen Teilchen.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Materialzusammensetzung ein Material umfasst, das Affinität für negative Elektronen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei das rohrförmige Element aus Polyäthylen hergestellt ist.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 19 bis 21, wobei die mindestens eine Interaktionszone durch das Layout der rohrförmigen Elemente definiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei das Material ein Isolator ist, der mit geladenen Teilchen vorgeladen ist, welche eine Energie aufweisen, die höher ist als die kinetische Energie der interagierenden geladenen Teilchen.
Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei das Isolatormaterial SiO₂ ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die logische Funktion das Lenken der geladenen Teilchen umfasst, um unterschiedliche Teile von Transistoren oder Schaltungen miteinander zu verbinden und Informationen dazwischen zu übertragen.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei sich die hohle lang gestreckte Struktur zwischen einer Sendeeinheit und einer Empfangseinheit befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei die Sendeeinheit die Anordnung der Elektroden umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, wobei die Empfangseinheit die Anordnung der Elektroden umfasst.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 26 bis 28, wobei die Empfangseinheit mindestens einen kapazitiven oder induktiven Abnehmer umfasst.
Eine zentrale Prozessoreinheit, welche die Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 13 bis 25 in der Prozessoreinheit integriert umfasst.
Eine Vorrichtung, um eine oder mehrere logische Funktionen zu implementieren, wobei die Vorrichtung einen oder mehrere Grundblocks umfasst und jeder Grundblock eine vorbestimmte Anzahl an Eingängen für geladene Teilchen und mindestens einen Ausgabe für geladene Teilchen umfasst, und wobei der Grundblock konfiguriert und betriebsfähig ist, mindestens zwei geladene Teilchen, einschließlich mindestens einem ersten geladenen Teilchen und mindestens einem zweiten geladenen Teilchen, zu lenken, um selektiv das Auftreten der Interaktion zwischen den mindestens zwei geladenen Teilchen zu ermöglichen, was die Bahnkurve der Fortpflanzung von mindestens einem der interagierenden geladenen Teilchen in Richtung auf den Ausgabe des Grundblocks und dadurch den Ort des mindestens einen geladenen Teilchens in Bezug auf den Ausgabe des Grundblocks bestimmt und somit selektiv eine Bedingung der Anwesenheit oder der Abwesenheit von mindestens einem der interagierenden geladenen Teilchen am Ausgabe des Grundblocks entsprechend einer gewünschten zu implementierenden logischen Funktion erzeugt.