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断熱回路は、エネルギーを節約するために「可逆論理」を使用する低電力電子回路です。[ 1 ] 「断熱」という用語は、周囲の環境と熱や物質の交換がない理想的な熱力学的プロセスを指し、回路が熱としてエネルギー損失を減らす能力を示唆しています。
スイッチング時にエネルギーを消費する従来のCMOS回路とは異なり、断熱回路は2つの重要なルールに従うことでエネルギー消費を低減します。
熱力学第二法則により、エネルギーを完全に有効な仕事に変換することは不可能です。しかし、「断熱論理」という用語は、理論的には損失なく動作可能な論理ファミリを説明するために使用されます。「準断熱論理」という用語は、静的CMOS論理よりも低消費電力で動作するものの、理論的には非断熱損失が残る論理を説明するために使用されます。どちらの場合も、これらのシステムは従来の静的CMOS回路よりも大幅に少ない電力消費で動作できることを示すために、この用語が用いられています。
「断熱」とはギリシャ語に由来する用語で、その歴史のほとんどが古典熱力学と関連付けられてきました。これは、エネルギー（通常は熱の形）が系に出入りすることなく遷移が起こる系を指します。電子システムにおいては、熱ではなく電荷が保存されます。したがって、理想的な断熱回路は、電荷の損失や増加なしに動作します。
回路の文脈で「断熱」という用語が初めて使われたのは、1992年に開催された第2回物理学と計算に関するワークショップで発表された論文に遡るようです。それ以前にも、チャールズ・H・ベネットは、計算を実行するために使用されるエネルギーに関して、「このエネルギーは原理的には節約して再利用できる」と述べており、エネルギー回収の可能性を示唆していました。
これらの低消費電力断熱システムには、共通する重要な原理がいくつかあります。それは、スイッチ間に電位差がない場合にのみスイッチをオンにし、電流が流れていない場合にのみスイッチをオフにし、電荷の形でエネルギーを回収または再利用できる電源を使用することです。これを実現するために、一般的に、断熱論理回路の電源は定電流充電（またはその近似）を使用しています。これは、固定電圧電源からの定電圧充電を使用する従来の非断熱システムとは対照的です。
断熱論理回路の電源には、エネルギーを蓄積できる回路素子も使用されています。これは多くの場合、インダクタを使用して行われ、インダクタはエネルギーを磁束に変換して蓄積します。断熱論理タイプのシステムを指すために他の著者が使用してきた同義語には、「電荷回復論理」、「電荷リサイクル論理」、「クロック駆動論理」、「エネルギー回復論理」、「エネルギーリサイクル論理」などがあります。システムが完全に断熱であるためには可逆性が必要であるため、これらの同義語のほとんどは実際には準断熱システムを指し、互換的に使用できます。これらの用語は簡潔で自己説明的であるため、さらに説明が必要な用語は「クロック駆動論理」だけです。これは、多くの断熱回路が電源とクロックを組み合わせたもの、つまり「パワークロック」を使用しているためです。これは、通常多相の可変電源であり、論理回路にエネルギーを供給し、その後そこからエネルギーを回収することによって、論理回路の動作を制御します。
CMOSでは高Qインダクタが利用できないため、インダクタはチップ外に配置する必要があり、そのためインダクタを用いた断熱スイッチングは、少数のインダクタしか使用しない設計に限定されます。準断熱段階充電は、回収したエネルギーをコンデンサに蓄積することで、インダクタを完全に回避します。[ 2 ] [ 3 ] 段階充電（SWC）は、オンチップコンデンサを使用できます。[ 4 ] : 26
2004 年に導入された非同期ロジック[ 4 ] : 51は、内部段階充電を使用する CMOSロジックファミリ設計スタイルであり、「クロック駆動ロジック」（断熱回路）と「クロックなし回路」（非同期回路）という一見矛盾するアイデアの低消費電力の利点を組み合わせようとするものです。[ 4 ] : 3 [ 5 ] [ 6 ]
動的消費電力を低減するための従来の手法としては、電源電圧の低減、物理容量の減少、スイッチング動作の抑制などがある。しかし、これらの手法は今日の電力要件を満たすには不十分である。一方、多くの研究は断熱論理回路の構築に焦点を当てており、これは低消費電力アプリケーションにとって有望な設計である。
断熱論理は、蓄積されたエネルギーを電源に戻すことで消費電力を削減するスイッチング動作の概念に基づいて動作します。そのため、断熱論理という用語は、可逆論理を実装する低消費電力VLSI回路で使用されます。この回路では、動作原理において重要な役割を果たすパワークロックに主な設計変更が集中しています。パワークロックの各フェーズにより、ユーザーは断熱回路設計における2つの主要な設計ルールを実現できます。
入力に関するこれらの条件が、パワークロックの4つのフェーズすべてにおいて満たされる場合、リカバリフェーズでパワークロックにエネルギーが回復され、大幅な省エネルギー効果が得られます。しかし、断熱論理設計にはいくつかの複雑さが残ります。例えば、時間変動電源の回路実装が必要であること、および低オーバーヘッド回路構造による計算実装に従う必要があることなどが挙げられます。
エネルギー回生回路には2つの大きな課題がある。1つ目は、今日の基準からすると動作が遅いこと、2つ目は、従来のCMOSよりも約50%広い面積が必要となり、単純な回路設計が複雑になることである。