量子元胞自动机器件和电路的研究进展

量子元胞自动机(QCA)是一种新颖的纳米技术,该技术不再通过电流或电压而是基于场相互作用进行信息的计算和传递。首先,综述了两种量子元胞自动机(EQCA和MQCA)器件的计算原理、基本逻辑门和时钟。指出了QCA元胞构成的不同线结构可在相同层交叉传递信号而不受影响。然后,进一步总结了制备QCA器件和功能阵列或电路的实验方法和材料,得出MQCA器件和分子EQCA器件的发展将使该器件逐步达到实际应用水平的结论。详细讨论了目前QCA器件和电路(尤其是存储单元结构)研究取得的重要进展以及面临的问题。提出了QCA器件未来理论和应用研究中的开放课题和方向。     

两点量子元胞自动机逻辑电路设计与仿真

择多逻辑门和反相器是量子元胞自动机(QCA)逻辑电路的基本组件。设计了两点量子元胞自动机(两点QCA)的传输线、择多逻辑门和反相器等基本逻辑器件。通过仅在信号沿竖直方向传递需要取反时用到水平放置元胞的设计,使电路布局更加紧凑。利用这些基本逻辑器件完成了一位数值比较器电路的设计。基于两点QCA系统的半经典模型,利用遗传模拟退火法对电路功能进行了仿真。仿真结果显示,两点QCA同样能够有效实现传统四点QCA的功能,而其所需的电子数和量子点数均减少了32.1%,电路集成度提高了49.4%。     

量子元胞自动机共面五输入择多门结构的分析与设计

量子元胞自动机（Quantum-dot Cellular Automata,QCA）是一种具有新型计算范式的纳米器件,它是未来有望替代传统CMOS器件的有力竞争者之一.本文首先从QCA器件的功耗角度出发,对影响半径为41nm的QCA共面系统中元胞的耦合度进行建模,根据元胞之间的位置关系构造QCA门结构模型,据此对现有的共面五输入择多门进行分类,通过性能分析总结其结构特点,以此设计出一个新的低功耗五输入择多门,测试结果表明该结构功耗最低且其他性能也相对较优.另外,为验证所提出五输入择多门在电路中的性能,本文选择MR Azghadi全加器设计了一款共面QCA全加器,与同类加法器相比性能也最优.     

量子元胞自动机全加器的性能分析与设计

作为一种新型的纳米器件,量子元胞自动机（Quantum-dot cellular automata,QCA）有望取代传统CMOS器件.本文总结了目前已提出的三种全加器（Full Adder,FA）架构,通过概率转移矩阵（Probabilistic Transfer Matrix,PTM）分析找出其中最稳定的架构,进一步地,利用这三种全加器分别构建串行加法器,并从复杂度、不可逆功耗、成本等方面进行比较,结果发现性能最优的全加器架构为MR Azghadi FA.随后,选择该架构提出了一种针对全加器的新型逻辑门和共面QCA全加器电路,并应用此全加器设计了多位串行加法器,经对比分析表明,本文所提出的全加器电路在面积、元胞数和功耗等方面均有较大改进,且具有很好的扩展性.     

基于量子元胞自动机容错全加器的设计

为提高新一代纳米器件量子元胞自动机(QCA)电路的稳定性及可靠性,提出了一种容错1位全加器,然后通过QCADesigner软件来仿真分析1位容错全加器,验证了该设计的可行性及它具有较好的容错性,该设计对复杂QCA电路的容错性的研究起到借鉴作用.     

基于量子元胞自动机的新型同或门结构设计北大核心

由于互补金属氧化物半导体（CMOS）器件尺寸的限制,量子元胞自动机（QCA）成为有望替代CMOS的新兴纳米器件。量子元胞自动机具有超低功耗、超高速度和高密度结构的潜在优势。提出了一种新型的同或门结构,在面积、延迟、复杂度及功耗方面相较于之前的结构均存在优势。所提出的新型同或门结构仅使用28个面积为0.02μm^2的QCA元胞,延迟仅为0.75个时钟周期。为了检验提出的设计在大型复杂QCA电路中的性能,实现了4,8和16位的奇偶校验器电路。模拟结果表明,所设计的电路性能各方面均优于先前的设计。     

基于贝叶斯模型的QCA扇出结构转换特性

基于半径为2的贝叶斯模型,量化分析了量子元胞自动机(QCA)扇出结构的转换特性。分析表明,采用半径为1的贝叶斯模型进行QCA转换特性分析将导致传输线正确概率的误差增大到40%,而半径为2的贝叶斯模型平衡了运算量和计算精度,适用于QCA的可靠性分析。仿真表明,扇出结构的正确概率随元胞尺寸和元胞间距的增大而逐渐降低,也随着输入条件和输出端的不同而改变,输入为‘1’时,扇出的拐角输出端的正确概率高于85%,而输入为‘0’时,拐角输出端的正确概率低于20%。这是由于QCA是一种基于量子机理进行工作的器件,不同的输入或不同的元胞尺寸和元胞间距都将造成元胞扭结能的改变,进而影响元胞的翻转概率。研究所得结论可为今后QCA的电路实现与设计和可靠性分析提供参考。     

基于量子元胞自动机的奇偶校验系统分块设计

量子元胞自动机(QCA)是一种纳米范围内不含晶体管的计算范例。基于QCA提出了QCA奇偶校验系统电路的分块设计方法。首先设计了异或门、奇偶判断单元,再运用分块设计思想构建了奇数产生电路和奇偶校验电路的结构,所设计的电路拥有尺寸极小和功耗极低等优点,QCADesigner软件仿真结果验证了设计的有效性。     

量子点分布误差对镜像电荷自动元胞机的影响

研究了量子点分布的误差对镜像电荷量子元胞自动机(QCA)的影响.镜像电荷QCA每个元胞中的四个量子点是被严格限制在正方形元胞的四个角上的,考虑到现有的量子点生长技术,量子点偏离理想位置的情况是不可避免的.模拟了在正态分布误差存在时镜像电荷QCA的工作情况,并估算了在较小的介电常数下镜像电荷QCA可能达到的最高工作温度.仿真结果表明正态分布标准差sigma小于0.1时,镜像电荷QCA可以正常工作,同时缩小QCA的元胞尺寸可以使镜像电荷QCA的最高工作温度达到室温以上.     

量子点分布误差对镜像电荷自动元胞机的影响

研究了量子点分布的误差对镜像电荷量子元胞自动机(QCA)的影响.镜像电荷QCA每个元胞中的四个量子点是被严格限制在正方形元胞的四个角上的,考虑到现有的量子点生长技术,量子点偏离理想位置的情况是不可避免的.模拟了在正态分布误差存在时镜像电荷QCA的工作情况,并估算了在较小的介电常数下镜像电荷QCA可能达到的最高工作温度.仿真结果表明正态分布标准差sigma小于0.1时,镜像电荷QCA可以正常工作,同时缩小QCA的元胞尺寸可以使镜像电荷QCA的最高工作温度达到室温以上.     

基于QCA的双边沿JK触发器的实现

量子元胞自动机(Quantum-dot Cellular Automata,QCA)是一种有望替代传统半导体晶体管的新型纳米器件.本文提出了一种改进的双边沿触发结构及其相应的JK触发器电路,用概率转移矩阵(Probabilistic Transfer Matrix,PTM)分析该触发结构,结果表明该结构较以往的可靠性更高.同时利用模块垂直堆叠方法来优化了JK触发器电路,新结构电路较之前的电路元胞数和整体面积均有所减少.     

基于QCA的五输入Majority门设计及应用

Majority门作为多数逻辑电路的基本逻辑单元,其性能直接影响整体电路的质量.使用量子元胞自动机（QCA）设计Majority门具有结构简单的优点.本文提出了一种三层电路实现五输入Majority门的设计,并以此设计了全加器,进一步应用于多位加法器和乘法器中,与已发表的电路设计比较表明,其版图使用面积和元胞数有明显的减少,加法器元胞数和面积改进最高可达43%和87.2%,乘法器元胞数和面积改进最高可达48.2%和100%.     

量子点分布误差对镜像电荷自动元胞机的影响

研究了量子点分布的误差对镜像电荷量子元胞自动机(QCA)的影响. 镜像电荷QCA每个元胞中的四个量子点是被严格限制在正方形元胞的四个角上的，考虑到现有的量子点生长技术，量子点偏离理想位置的情况是不可避免的. 模拟了在正态分布误差存在时镜像电荷QCA的工作情况，并估算了在较小的介电常数下镜像电荷QCA可能达到的最高工作温度. 仿真结果表明正态分布标准差sigma小于0.1时，镜像电荷QCA可以正常工作，同时缩小QCA的元胞尺寸可以使镜像电荷QCA的最高工作温度达到室温以上.     

基于量子元胞自动机容错反相器的设计

分析了由线、反相器、扇出、择多逻辑门等量子元胞自动机组成的基本电路在工艺制造过程中可能存在的故障,基于块择多逻辑门的冗余结构设计思想,设计出具有容错能力的量子元胞自动机反相器,最后利用QCADesigner软件对位于不同输入输出点的极化值进行了仿真研究和验证。结果表明,所设计的反相器结构对称,输入与输出方式多样性,对元胞位移故障和元胞缺陷故障具有较好的容错能力,这将对构成更复杂的大规模QCA集成电路容错的研究具有一定的借鉴意义。     

量子元胞自动机干支型交叉线及应用

量子元胞自动机(QCA)耦合功能阵列是一种二维的纳米尺度计算范式,可靠性较低的共面交叉线结构是QCA电路交叉互连时的薄弱环节。信号分布网络是实现交叉线功能的一种新方法,但面临元胞随机翻转干扰问题。为解决该问题,首先分析了QCA基本器件逻辑功能实现机理,并提出了一种干支型交叉线。该器件可以在两路信号相遇时选通干路信号屏蔽支路信号,从而达到抑制干扰信号的目的。通过仿真实验得出了其鲁棒功能结构和时钟分配原则。然后利用干支型交叉线改进了异或门设计,仿真结果进一步验证了其逻辑功能。     

基于改进五输入择多门的QCA全加器设计及应用

量子元胞自动机(Quantum-dot cellular automata,QCA)是一种新兴的纳米技术.本文基于改进的五输入择多门,设计出一个全加器,在保持正确逻辑功能的基础上较以往的全加器有一定优势.应用该全加器设计加法器和乘法器,结果表明在某些性能上有显著提高.     

量子元胞自动机全加器的布尔差分测试法

根据布尔差分测试法的基本原理以及量子元胞自动机(QCA)的缺陷特性,提出一种适用于QCA的测试方法。以QCA 1位全加器为例,采用QCA Designer软件,验证该方法的有效性与可行性,并与Tahoori等人提出的QCA电路测试法进行比较。结果表明,新设计的布尔差分测试法具有高故障覆盖率和易测性等优点,对未来复杂QCA电路的测试有一定的借鉴作用。     

基于Sklansky结构的24位并行前缀加法器的设计与实现

针对串行进位加法器存在的延时问题,采用一种基于Sklansky结构的并行前缀加法器,通过对并行前缀加法器各个模块进行优化,设计实现了一个24位并行前缀加法器。通过与24位串行进位加法器进行延时比较,结果表明,Sklansky并行前缀结构的加法器,能有效提高运算速度。     

基于量子元胞自动机的逻辑电路

简述了量子元胞自动机 (QCA)的理论及其逻辑电路的实现方式。每个量子元胞包含两个电子 ,它们通过库仑相互作用与邻近元胞耦合。每个量子元胞上的电荷分布趋于沿两垂直轴的某一轴向分布 ,可以以此来表达二进制信息。用这些量子元胞的阵列来实现各种逻辑门     

基于QCA可编程逻辑阵列单元的元胞缺陷研究

介绍了一种量子元胞自动机(QCA)可编程逻辑阵列结构,该结构可用于实现量子元胞自动机大规模可编程逻辑电路,采用QCADesigner仿真软件研究了元胞缺失、移位缺陷和未对准缺陷对可编程逻辑阵列单元逻辑功能的影响。得出了特定结构下,每个元胞移位缺陷和未对准缺陷的最大错位距离,以及导线模式中存在特定位置的8个可缺失元胞。这为缺陷单元的应用提供了一个具体的参数标准,提高了PLA阵列的单元利用率。