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。     

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。     

倾斜边缘纳磁体对磁性量子元胞自动机互连线信号传递的影响

纳磁体倾斜边缘是磁性量子元胞自动机(Magnetic quantum cellular automata,MQCA)制备过程中常见的缺陷。研究倾斜边缘纳磁体的位置、缺失程度、形状等对互连线的影响,并分析了纳磁体间距和厚度对倾斜边缘MQCA互连线信号传递的影响。仿真结果得出,倾斜边缘对互连线的信号传递产生三种影响:正常、反向和中断。倾斜边缘的缺失尺寸越大,互连线的信号传递受到的影响越大;难磁化轴方向边缘完全缺失的情况下,较小的垂直缺失尺寸即可对互连线信号传递造成较大影响;较薄的厚度和较小的间距更有利于包含倾斜边缘纳磁纳磁体的互连线信号的正常传递。这些结论对于MQCA电路的制备、缺陷分析以及倾斜边缘纳磁体的特殊应用具有重要意义。     

基于量子元胞自动机的PLA故障分析和检测

量子元胞自动机(quantum-dot cellular automata,QCA)可编程逻辑阵列(programma-ble logic array,PLA)结构可用于实现大规模可编程逻辑电路。分析了4种故障类型发生在PLA单元的8个区域中的影响,得出了具体的影响效果。其中,直接或间接致使隐含线和与门发生逻辑错误的故障均会导致PLA中故障所在行整行失效,其他故障只会影响故障所在的PLA单元的逻辑功能和配置,而对PLA中的其他单元没有影响。此外,基于故障分析,提出了具体的PLA故障检测方法。     

基于量子元胞自动机的模可变计数器设计

模可变计数器是一种功能丰富、灵活性很强的时序逻辑电路。基于一种二维纳米尺度计算范例量子元胞自动机(QCA)设计了一种2位模可变计数器单元电路,该计数器由2个JK触发器和5个基本逻辑门构成。采用置零模式设置了计数器的初始状态,该方法为解决QCA时序逻辑电路设计中输出端随机初始状态的消除问题提供了一条有效途径。在QCA版图设计过程中,通过延迟匹配规则完成了反馈回路的时钟布线。QCADesigner软件仿真结果表明,设计的计数器具有正确的逻辑功能,当两位模式控制信号M2M1为01,10和11时,分别实现了模2、模3和模4计数。     

基于双量子阱系统概率模型的传输线背景电荷分析

量化分析了背景电荷影响下量子元胞自动机的翻转特性。提出了一种新的时不变转换模型—双量子阱系统概率模型。与元胞间哈特里逼近法和全基矢量法相比,提出的模型降低了运算量。仿真证明,距QCA传输线186nm范围内若存在背景电荷将造成目标元胞的错误翻转。错误翻转的元胞处于两种新态。因此,双稳态模型在背景电荷的分析中不再适用。