Прежде чем приступить к более подробному обсуждению, необходимо классифицировать устройства для обработки данных по способам хранения информации, когда она ни с чем не взаимодействует и не обрабатывается. Простейший класс, который будет рассматриваться в дальнейшем, состоит из устройств, имеющих возможность хранить информацию без рассеяния энергии. Система, показанная на рис. 1 , относится к этому классу. Близкое отношение к механическому примеру на рис. 1 имеют ферриты, ферроэлектрики и тонкие магнитные пленки. Последние могут переключаться без передвижения доменной стенки и весьма тесно связаны с одномерным устройством, изображенным на рис. 1 . Криотроны также являются устройствами, диссипация в которых имеет место только при переключении. Они тем не менее отличаются от устройств, изображенных на рис. 1 , поскольку в них единица и нуль не являются энергетически предпочтительными. Криотрон похож скорее на механическое устройство на рис. 2 , изображающее частицу в ящике. Два конкретных положения в ящике выбираются в качестве состояний нуль и единица, и сохранение информации зависит от того факта, что броуновское движение в ящике очень медленное. Упор на медленность броуновского движения, а не на сохраняющие силы, характеризует не только криотроны, но и большинство наиболее известных способов хранения информации. Из литературы известно, что все существенные логические функции могут быть реализованы устройствами первого класса. Это означает, что можно построить компьютеры, содержащие только криотроны или только магнитные ядра $[3,4]$.

Рис. 2. Потенциальная яма, в которой состояния 0 и 1 не разделены барьером. Информация сохраняется, так как броуновское движение медленно

Второй класс устройств состоит из структур, находящихся в стабильном (инвариантном по времени) состоянии, которое оказывается диссипативным, когда дело идет о хранении информации. К этому классу принадлежат триггерные электронные схемы, реле и туннельные диоды. Последние обнаруживают типичное поведение, проиллюстрированное на рис. 3. Две стабильные точки разделены нестабильной областью так же, как и для устройства на рис. 1. Интересно, что этот класс не имеет известных представителей, аналогичных рис. 2. Все действующие бистабильные устройства обладают встроенными средствами для восстановления нужного состояния. Сходство между рис. 3 и устройством на рис. 1 станет более очевидным, если представить бистабильную нму на рис. 1 графиком зависимости силы от расстояния (см. рис. 4). Линия $F=0$ пересекает кривую в трех точках, аналогично сплошной линии (линии постоянного тока) на рис. 3. Такая аналогия наводит на мысль о том, что в случае диссипативного устройства в результате теплового возбуждения или квантовомеханического туннелирования возможны переходы из нужного состояния в другое стабильное состояние так же, как и в недиссипативном случае, что подробно обсуждается Свенсоном (Swanson) [5].
Рис. 3. Характеристика отрицательного сопротивления (сплошная линия) и линия нагрузки (пунктирная линия). 0 и 1 — стабильные состояния, $U-$ нестабильное

Диссипативное устройство, такое, как туннельный диод, строго говоря, является аналогом несимметричной потенциальной ямы, а не симметричной ямы с рис. 1. Следовательно, можно ожидать, что из двух возможных состояний устройства с отрицательным сопротивлением только одно действительно стабильно, другое же — метастабильно. Ансамбль бистабильных туннельных диодов, предоставленный самому себе на достаточно длительное время, будет со временем эволюционировать к одному и тому же абсолютно стабильному состоянию.

В общем случае, когда такие запирающие устройства используются в вычислительных схемах, понижение диссипации в двух допустимых состояниях может быть достигнуто перемещением этих состояний как можно ближе к оси токов или напряжений. Если бы удалось почти полностью исключить диссипацию в стационарном состоянии, такое устройство можно было бы отнести к первому классу. Следовательно, интуитивно можно ожидать, что в стационарном состоянии диссипативного устройства диссипация на одно переключение по крайней мере так же велика, как и в устройствах первого класса, и что эта диссипация, связанная с переключением, дополняется диссипацией в стационарном состоянии.

Последним, третьим классом являются устройства типа «catch-all», а именно такие, в которых для распознавания информации является существенным изменение во времени. Этот класс включает линии задержки, а также несущие схемы, например, фазовые бистабильные системы фон Неймана (von Neumann) [6]. Последние представляют собой изящный пример использования эффектов диссипации; большинство других представителей третьего класса более сложны для обсуждения в простых физических терминах.

В схеме фон Неймана, которую мы рассмотрим здесь не слишком подробно, используется сигнал «накачки» с частотой ${\omega }_0$, который, воздействуя на систему, настроенную на ${\omega }_0/2$ и обладающую нелинейной реактивностью, вызывает спонтанный переход сигнала на меньшую частоту. Низкочастотный сигнал может выбирать между двумя возможными фазами (различающимися на ${180}^{\circ }$ на низкой частоте), что и является причиной бистабильности. В схеме фон Неймана накачка прекращается после появления субгармоники, и субгармоника, соответственно, допускает затухание в результате неизбежных потерь в схеме. Этот процесс представляет собой существенную часть схемы, контролируя направление прохождения информации, так что, на первый взгляд, потери здесь играют важную роль. Можно показать, однако, что редукция сигнала может быть осуществлена в нелинейной схеме без потерь при помощи нужным образом фазированного сигнала накачки. Таким образом, представляется адекватным использование нелинейных схем без потерь, и вместо выключения накачки менять фазу накачки, что приведет к затуханию сигнала вместо роста. При этом направленность потока информации не зависит от наличия потерь в схеме. Тем не менее потери выполняют другую существенную функцию.

Система фон Неймана сильно зависит от схемы взаимодействия, называемой мажоритарной логикой, в которой имеет место связь с тремя субгармоническими осцилляторами, а сумма их колебаний используется для синхронизации субгармонического осциллятора, накачка для которого включается несколько позже первых трех.

Каждый из трех складываемых сигналов может иметь одну из двух возможных фаз. Пропасть могут самое большее два из них, а один всегда останется, таким образом, всегда сохраняется фаза, предназначенная для возбуждения очередного колебания. Следовательно, синхронизирующий сигнал может иметь две возможные амплитуды. Если все три входных сигнала согласованны, то синхронизирующий сигнал в три раза сильнее, чем в случае, когда только два сигнала имеют заданную фазу. Если в субгармонической схеме отсутствуют потери, последующая настройка приведет к двум различным амплитудам в зависимости от силы исходного синхронизирующего сигнала. Однако, это будет интерферировать с основной операцией схемы на следующем этапе, когда потребуется вновь просуммировать выходные сигналы трех осцилляторов, которые должны будут иметь равные амплитуды. Станет понятно, что отсутствие потерь дает выходные амплитуды от каждого осциллятора, сильно зависящие от входных сигналов на предыдущем этапе. Хотя, возможно, отклонения от ожидаемых амплитуд не будут еще приемлемыми после одного цикла, они могут увеличиться за время, равное нескольким машинным циклам. Следовательно, потери необходимы для того, чтобы уничтожались несущественные детали предыстории сигнала. Потери имеют принципиальное значение для стандартизации сигналов, что долгое время не получало адекватного признания в теоретических дискуссиях, но весьма четко обозначено в недавней статье А. У. Ло (A. W. Lo) [7].