基于量子元胞自动机的同或门分析与设计

摘要

从世界上第一个晶体管问世，电子技术行业由此开始，随着集成电路的大规模发展，出现了以CMOS器件为核心的集成电路技术，此后集成电路产业朝着迅猛的方向发展，摩尔定律也一直预言着集成电路产业的发展。由摩尔定律知道，每18至20个月，集成电路可容纳器件的数目会翻一番。随着集成芯片制造工艺的不断进步，电路的集成度也在不断升高，这就使得集成电路尺寸越来越小。集成电路尺寸不断缩小会导致器件本身的物理性质发生根本变化，高功耗、高密度、信号串扰等问题是制约着集成电路的发展的一大障碍。因此关于能够取代CMOS新型器件的研发一直是科研工作者孜孜不倦探索的夙愿。由此纳米器件才得以问世，而在众多纳米器件中，1993年提出的量子元胞自动机(Quantum-dot Cellular Automata，QCA)是众多能够替代CMOS器件中的一种。QCA以一种全新的计算模式和特别的转换二进制信息而得以广泛研究。
　　QCA电路研究的关键在于稳定性和功耗，本文致力于QCA电路的分析和设计。在提出同或门逻辑电路方面，利用概率转移矩阵去估算电路的稳定性，在QCA特有的功耗分析软件中分析同或门电路的能量耗散，从而准确的分析和评估出同或门在实现组合电路的可行性，结合QCA电路的设计规则和QCA同或门本身特殊的结构，以三输入同或门为模块实现了数值比较器，虽然面积和延迟优势不明显但在复杂度上，比前人设计的最优一字节数值比较器上优化了22.2％，最优三字节优化了40.18％。以五输入的同或门设计了进位传送加法器和奇偶校验器，进位传送加法器电路结构简单，易于扩展，四位奇偶校验器比前人所设计的，虽然面积和复杂度优势不明显，但在延迟上减少了28.6％，因此，本文所提出基于五输入同或门实现奇偶校验器的理念是可行的。

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 QCA电路提出的背景

1．2 目前研究进展

1．3 研究内容及章节安排

第二章 QCA基础知识

2．1 QCA元胞

2．1．1 四量子点元胞

2．1．2 五量子点元胞

2．1．3 其它类型的元胞

2．2 QCA的量子力学原理

2．2．1 波函数的统计解释

2．2．2 定态薛定谔方程

2．2．3 元胞-元胞响应函数

2．2．4 元胞的双稳态特性

2．2．5 功耗

2．3 时钟

2．3．1 时钟的第一阶段：Switch

2．3．2 时钟的第二阶段：Hold

2．3．3 时钟的第三阶段：Release

2．3．4 时钟的第四阶段：Relax

2．4 QCA基本器件单元

2．4．1 传输线

2．4．2 扇出传输线

2．4．3 反相器

2．4．4 三输入择多门

2．5 交叉线

2．5．1 共面交叉

2．5．2 异面交叉

2．5．3 两种交叉结构类比

2．6 QCA电路设计的仿真软件

2．6．1 双稳态仿真引擎

2．6．2 数字仿真引擎

2．6．3 非线性逼近仿真引擎

2．7 本章小结

第三章 基于量子元胞自动机的同或门分析

3．1 同或门的简介和设计

3．2．1 三输入同或门

3．2．2 五输入同或门

3．3．1 可靠性

3．3．2 能量耗散

3．4 本章小结

第四章 基于量子元胞自动机的同或门设计

4．1 数值比较器

4．2 加法器

4．3 奇偶校验器

4．3．1 四位奇偶校验器

4．4 本章小结

5．1 本文总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况