随着第五代（5G,Fifth Generation）移动通信系统开始商业部署,全球移动数据流量呈现出指数增长的趋势,海量的数据处理会导致大量的能源消耗和温室气体排放,加剧全球变暖。为了降低数字通信系统能源消耗,当前芯片采用缩短制程,减少所含电子数,降低供电电压等方式来实现低能耗。但是随着晶体管的栅极尺寸越来越接近介观尺度,传统分析方法已无法精确分析未来能耗水平接近兰道尔极限时的晶体管非平衡信息处理过程。而随机热力学的发展,为量化分析非平衡信息处理系统中单一轨迹的热、功、熵产及其他热力学性质提供了理论基础。因此,如何从随机热力学出发将逻辑门及电路的能耗降到更低,是一个极具挑战性的问题。目前随机热力学研究多集中于逻辑门中的非门,忽略了其他重要的逻辑门,如与门和异或门。由于所有数字电路理论上都可以只由与门和异或门组成,因此本文应用随机热力学理论分别设计了由单能级晶体管组成的与门和异或门模型,同时基于逻辑门输入状态转换关系提出了与门和异或门的能耗模型。考虑到数字电路中的能耗类别,本文将与门和异或门的总能耗拆分为静态能耗和动态能耗,并分析了二者在不同亚阈值供电电压下各能耗成分和特征指标的变化趋势。基于与门和异或门的能耗模型,可以构建任意的数字电路能耗模型。为了降低电路的能耗,本文提出了一种调整输入数据序列运算顺序的能耗优化方法,并将其应用于由两个与门组成的三输入相与电路,由两个异或门组成的奇偶校验电路,由两个与门和两个异或门组成的多数判决电路。仿真结果表明,对于典型的输入数据序列,上述三种基本的数字通信电路分别最高可降低63.39%,58.32%,86.27%的能耗。最后,本文通过将随机热力学中的兰道尔原理和失配理论结合,提出了实际信息处理过程中逻辑门能耗极限的表达式,该表达式度量了逻辑门信息处理过程中信息与能量的耦合关系。同时,本文给出了与门、异或门、三输入相与电路、奇偶校验电路、多数判决电路的能耗极限,并从香农信息论的角度解释了能耗极限的信息含义。