架构的二维4-Dot电子QCA加法器和减法器和能量耗散的研究

文摘

量子点细胞自动机(QCA)是小说的开始技术并能适当的替代传统的半导体晶体管技术在纳米级范围。主管加法器和减法器电路可以执行大量功能在设计运算电路。未来的时代数字技术将锻炼QCA首选的纳米技术。QCA计算程序将与一个有效的完整的加法器和减法器电路简化。变化和组装的缺陷仍然忍受挫折在基于QCA的轮廓,和反复无常的,倾向于错误的限制这些电路。在这项研究中,一个新的完整的加法器和减法器设计使用独特3-input XOR门与细胞冗余。这个设计可以利用不同的权宜之计QCA布局形式。形成的结构是在一个层剥夺交错。除此之外,本研究针对的分析功能和能源消耗的财产提出完整的加法器和减法器电路。第一次QCADesigner-Energy (QD-E)版本2.0.3工具是用来发现整个耗尽能量。 The attained effects with QCADesigner have verified that the outlined design has enhanced functioning in terms of intricacy, extent, and latency in contrast to the earlier designs. Moreover, the redundant form of full adder and subtractor has uncomplicated and robust arrangement competing typical styles.

1。介绍

互补金属氧化物半导体(CMOS)原型基于当前传统晶体管保持摩尔理论。这一理论的目的是在1965年由戈登·摩尔和预测图定位在一个芯片的晶体管每两年就会成倍增加。因此,减少晶体管程度需要概述高厚,high-rapidity, power-defeat电路(1]。如今,许多凝聚力电路一直在准备0.230 - -0.330微米的程度;然而,当电路的尺寸延伸到0.50微米或更少,大量的边界例如功率损耗和缺点与光刻和布局复杂提升(2]。因此,芯片上的晶体管数量每两年翻一倍和两倍时钟频率每三年不会潜力。因此,提高算法的功能单元,有一个要求额外的原型(3]。作为典型的CMOS继承人,科学家提出了一个方案,计算与量子点执行。这个模型是名为量子点细胞自动机(QCA),如今一样的生产加工企业为主,在电流从一个站点传输信息到另一个地方,极化水平提升者信息传输的传导。在纳米级,QCA作为小说设备模式适合纳米计算机体系结构。至关重要的元素在QCA four-dot平方细胞,和两个空置的相同的指控是集成在该细胞。点的活动组织横向通过这些电子库仑连接的结果。与CMOS原型不同,比较结构的指控,而不是当前应用于加密QCA的二进制信息。最小的能源利用率,公司操作,和小震级是QCA的实体电路(4- - - - - -8]。大多数选民和逆变器门组装QCA轮廓的主要方面(9]。组装时间断层阶段和功能缺陷度纳米技术是可行的10],QCA的故障性能的设计必须与容错模型描述QCA的电路。完整的实现加法器和减法器运算过程的主要组件可以精确地影响整个的运作架构。加法器和减法器在装配有一个显著的角色算术逻辑单元(ALU)是处理子系统(11- - - - - -14]。QCA技术已经非常最小能量耗散4- - - - - -6]。这项工作是组织的焦点作用小说大纲完全基于三个输入加法器和减法器电路XOR门剥夺线交叉。该电路组装QCA的掌中物数量和他们达到预期的功能。在一个简略实践,本研究的最重要的影响如下:(我)设计一个建筑最小图加法器和减法器的细胞,利用区域,和整体能量耗尽,(2)评估组织的布局与其他当代概述了基于XOR门没有XOR门的两个手机号码,错综复杂,消耗的区域。

成功组织将授予在剩下的学习。QCA的简明概要技术是在部分展出2。部分3聚光灯现有工作加法器和减法器。节4,提出设计形成的细胞制造,输入和输出的位置。仿真结果相对评估为特征的部分5第一次,消散的能量估计QD-E组织的部分6。果断,具体结论的解释和分析潜在的组织集中在部分7。

2。原始量子点细胞自动机的前提

逻辑门、电线和时钟是小学QCA的观点。这些评估理解QCA技术测深仪。四个点是参与QCA细胞极化QCA的顶级人物图所示1。每个单元都是在围成的四边形四个量子点组装。两个电子被允许相邻点之间的通道,利用这些电子直接细胞。电子定位在反对点,因为他们相互静电的厌恶。图1提出了两个相应的组织QCA的电子和组织象征极化P = + 1和P = 1,相应。极化P = 1来表示逻辑“0”和P = + 1来表示逻辑“1”,二进制数据可以被认可11]。

整个逻辑功能就能通过命令QCA的组织细胞。相邻细胞的极化是说服通过库仑接口。点之间的潜在的困难或障碍QCA架构概述。通过障碍(QCA架构监测和协调7]。的通信性能的细胞和整个体系结构解决了QCA拓扑。QCA细胞利用所有传统形式逻辑电路(15]。多数选民的形成是一个重要的组成部分,QCA电路,表现出图2(一个)。

在大多数选民,三个输入细胞是统一的。其中一个细胞是在内部和持续的多数极化,因为它意味着最低能级。另一个是输出单元。如果一个输入是固定为1,大多数喜欢或门功能。类似地,如果一个输入是固定为0,门和两个额外的投入。QCA的逆变器有不同的安排和测量替代门至关重要。逆变器的弹性轮廓图所示2 (b)。两个相邻细胞有矛盾的极性而能量最小的基于库仑厌恶。大多数选民和逆变器是实现所有逻辑电路中。在电路设计QCA线执行一个重要任务。静电接触细胞启动读二进制信号从输入到输出线。两种线呈现在图2 (c)。90度的表示二进制线指出图和反相器链操作反向输入由旋转细胞细胞体面指出图中。

组合和连续电路需要四个操作顺序和定段QCA的时机。考勤操作流的信息,并提供真正的潜力QCA [11]。四段开关、持有、释放和放松,集成在QCA时钟指示图3。细胞将在空白位置一旦电子位于中央点放松的水平。通过切换阶段,内部障碍点逐渐出现,推动电子之间的边缘。时持有阶段,障碍是活跃的和细胞坚持极化并影响其相邻。最后,在释放部分,壁垒是向下和电子卷入中央点(16,17]。

QCA的电路是由三种转换方法,即共面,多层和逻辑。在共面交叉,电线只利用细胞类型,而其他利用两个细胞类型,导致电线自主运作的统一制造层呈现在图4(一)。穿越所有逻辑上实现一个特定的QCA层通过这个过程要求补充的传统技术。共面交叉方法的一个缺点是过度制造灵敏度。定期大会无疑是打破了细胞不在位置,顺便说一句,不利两导线之间的耦合是发生18]。

一个惯例多层跨越发展,提出了图4 (b)。信号从一个特定的层变化到另一个无效,因为巨大的垂直空间电线。这种方法是进一步宽松的细胞比共面交叉;然而,一些活跃QCA层需要实现技术。多层技术仍不合理的操作,和单层细胞的分配包括极端的准确性非常面对(19]这工作组织,只有利用共面交叉。

一种特殊的共面线穿越是由心全和柳20.],指定为逻辑交叉。在此结构中,通过干扰线穿越时序阶段实现如图4 (c)。

QCA缺陷分为三个安排,通过制造落地是一个电路。开关从他们的预期位置称为细胞细胞失调。QCA电路的操作不是由失调模仿细胞,但偶尔,一个电路有一个意料之外的结果。一旦细胞的另一种形式的缺点就会是错误的因为它的缺陷。在这种情况下,错过了对其相邻细胞没有影响,它影响的功能设计21]。最后一个随之而来,而细胞旋转对应的数组中的其他细胞,称为位错的细胞,并在这种情况下,设计不运作。图5(一个)组织一个省略单元布局,该电路停止工作。目前,如图5 (b),电路可能有一个意外的结果一旦位移单元旋转45度角。图5 (c)提出了偏差单元设计。显然,细胞协会不是实质性的方向,因为对称。

3所示。相关的设计

最基本组成的轮廓算术块是完整的加法器,和成功方程经常反映在一个完整的加法器的模式。

输出和输入的二进制加法A, B和C, A, B是唯一两个二进制输入加上C的执行最低有效位。警察说明了产生携带从二进制输入之和,B和c表1全加器的逻辑表。在最新的纳米技术,研究纳米全加器的架构是大大扩大特别是QCA [22,23]。一个加法器设计两大部分选民提出了(22]。这个设计使用了5个输入多数选民产生和输出。在[23),大纲的一位全加器和两个逆变器和三个多数选民。这两个设计在22,23]使用交错,因此并不强劲。在[24),提交完整的加法器的设计包含两个重要组件,三个输入XOR门和三个输入多数选民。在这种布局,正统的线交叉技术是用来进行单独两个输入值。

减法器是一个电路,减去两位考虑的结果较低的实质性阶段。减法器的真值表提出了表2,A、B和C是相应的输入,Diff和Borr输出。布尔表达式Diff和Borr介绍如下。

在[25),一个布局提出了全面减法器,它由136年QCA细胞用铁丝穿过。另一个设计是[中概述26),62个细胞被录用,但多层方法。因此,这些设计并不强劲。在接下来的部分,完整的新范式加法器和减法器电路基于XOR门(9)没有提出了交错。

4所示。拟议中的QCA大纲

实现完整的加法器和减法器的性能,电路使用库仑相互作用。植入的几何形状和精度是重要的适当的操作设备。指出的部分2的块QCA组装与逆变器和多数选民。不过,最常见的多数选民非常微不足道的容错性能对最常见的缺陷。本节澄清了完整的加法器和减法器的设计。对于这一点,XOR门的结构是获得从设计(9];然后定义的架构完整的加法器和减法器使用QCA细胞。完整的加法器结构有28个细胞。三个细胞标签A, B, C是输入细胞。输出称为S和C, S定义信号和C定义携带信号的数目。剩余的细胞标记为设备。减法器大纲有27个QCA细胞。三个细胞标签A, B, C是输入细胞。输出是名为Diff和Borr Diff状态信号和Borr状态借信号的差别。的架构设想在一个层及其延迟两个时钟区域,所以该设计是健壮。

的纲要提出完整的加法器和减法器设计如图6(一)和6 (b)相应地,。完整的加法器结构是由一个三个输入XOR门和一个三个输入多数选民。

同样,减法器的设计是由一个三个输入XOR门和一个与一个逆变器门三个输入多数选民。提出了图7,列出设计用于一个层。它只使用90度QCA细胞和不使用任何共面线交叉。

5。测试与比较评估拟议的架构

在本节中,QCADesigner版本。2.0.3应用于模拟电路概述。仿真引擎、特性和相对比较是解释在本节的其余部分。

5.1。模拟引擎和功能

QCADesigner是公认的模拟引擎主要用于估计QCA电路。双稳态近似和相干矢量测量模拟两个截然不同的仿真工具。双稳态近似工具分析一个特定的位置细胞长期有效的方法通过扭结能源过程估计两个细胞采取反向极化的电荷;因此模拟时期这个工具是浓缩的。相干矢量方法认为通过time-reliant状态的细胞与其他细胞通过类似的扭结能源合作过程(27]。在QCADesigner可以执行每一个细胞都在四个方面,即输入、输出,固定的,正常的。简单的量子细胞的程度是固定在18 x18 5纳米厚度的量子点。中心空间是固定在20 nm邻近细胞。相干向量形式的仿真工具固定QCADesigner引擎与正在这里介绍的模拟功能:放松时期1.0 e - 015 s,半径65海里,相对介电常数12.90,高层9.8 e-22j时钟,时钟低级,3.8 e-23j,分离层11.50 nm,整体仿真周期7.0 e - 011,和50000号样品。

5.2。精度研究

该设计模拟和数字8介绍了结果。此外,输入组C B=000,001,010,011,100,101,110,111所有单独的结果输出总和达到:01110001,01110001,01110001,11010100,01010101,00101011,10101010,01001101,00010111,00110011 ;同样,所有单独的结果输出进行实现:11101000,00110011,00001111,01001101,10001110 。加法器电路,如果输入A、B和C是零,输出值和(S)和(C)是0,另行规定。输入= 0,B = 0,和C = 1,输出值和(S)和(C)是1和0,分别。同样地,完全减法器,如果输入值A = B = C = 0,然后输出值的区别(Diff),借(Borr)都是0,。对于输入值,A = B = 0和C = 1,输出值的区别(Diff),借(Borr)都是1,分别。

5.3。错综复杂的研究提出的架构

概述了错综复杂的设计提出了表3。完整的加法器布局实现XOR门,28 QCA细胞的程度 ,和减法器布局一个XOR门,27 QCA细胞的程度 。

5.4。比较研究提出的架构

设计完整的加法器相比,基于XOR门在前面的三个设计(22,23,28]。执行结果中指定的表4和表涵盖了总数的细胞用于设计、覆盖程度,和延迟以及线交叉。提出设计达到69,52岁,32%的进步相比,细胞总数中给出的设计(22]、[23),(28),相应。现年54岁的拟议的结构达到78和50%的进步相比,覆盖面积的设计组织(22]、[23),(28),相应。此外,时钟区域的数量已经减少60 - 50%对比的设计组织(22]、[23),(28),相应。概述了设计不采用任何交错。同样,减法器设计公司改进。拟议中的减法器达到48岁,80年,88年,90%的改善细胞总数相比,设计组织(25]、[26]、[29日),(30.),分别。82年改善23日,77年,建筑面积达到93%而提出的设计(25]、[26]、[29日),(30.),分别。此外,时钟区域的数量已经减少到71年,75年,77%的布局(25]、[29日),(30.),分别。减法器的设计不使用任何交错。总体结果指定拟议的架构比早些时候轮廓在所有的因素。

6。功耗拟议的架构

QCADesigner版本的扩展。2.0.3 QCADesigner-E (QD-E)的康拉德Walus [27]。它执行的评估的功率损耗QCA逻辑电路的基础上,研究在31日]。它是一个模拟块,是基于相干矢量模拟引擎。此外,QD-E完全适合QCA布局形成QCADesigner版本。2.0.3。表5和6现在的总功率耗散由加法器和减法器的设计。

在表中,的图是完整的能量转移到细胞分裂的浴对于每个时钟周期,之间的总能量波动QCA细胞和时钟为每个时钟周期划分,然后呢对于每个时钟周期图的所有错误的细胞能量评估。错误之前的理论总QCA的所有能量运动细胞是一分之零整个时钟周期,在错误=- (+)。同时,是总能量的总和转移到通过整个模拟和浴吗是相关的错误。平均标准的能量转移到浴,每个时钟周期的误差。是图的能量移动到或从时钟在整个模拟,而通过一个时钟周期内平均能量运动。完成整个仿真过程中,加法器需要7迭代和减法器需要6完成模拟。

评估温度影响的输出偏振概述设计执行和输出偏振是逮捕QCADesigner在不同温度下的工具。的平均输出偏振(AOP)评估每个QCA细胞从[32和组织图9。这两种架构操作掌握在1 - 10 K的温度范围内,每个细胞的AOP略有改变在这个措施。AOP以焦耳(J)。

比较功耗的提议和现有的设计提出了表7。概述了电路耗散非常低功率相比,现有的设计。

7所示。结论

新加法器和减法器基于XOR门组织工作。拟议的架构用于获得高性能逻辑元件和它变得健壮性和熟练通过获得的结果。概述了单层架构比典型的完整表现地更健壮的加法器和减法器。这项研究展示了新的完整的加法器和减法器的布局,可以应用于高主管建筑单元块设计在未来更复杂的电路。第一次QD-E利用在这个工作估计总功耗QCA架构。获得一个n位加法器设计连接QCA全加器;在这方面,采用硬件是减少占用普通时钟配置和原始程序的平行排列。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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