مقاله شبیه‌‍‍‍‍سازی واحد محاسباتی و پردازشی منطقی در آتوماتای سلولی کوانتومی نقطه ای

بخشی از مقاله

چکیده

آتوماتای سلولی کوانتومی نقطهای - به اختصار - QCA به دلیل مصرف پایین انرژی، سرعت بالاتر و کوچکتر بودن سایز در مقایسه با تکنولوژی CMOS یکی از چندین تکنولوژی نانوی جایگزین در حال ظهور برای مدارات الکترونیکی است. سلول کوانتومی نقطهای برای پیادهسازی گیتهای منطقی و سیمها میتواند استفاده شود که بلوکهای اساسی ساختمان مدارهای تکنولوژی نانو هستند. واحد ALU واحدی پردازشی و محاسباتی میباشد که طراحی آن با استفاده از مدارات ترکیبی انجام میشود که سبب کاهش پیچیدگی شبیهسازی منطقی میشود.

یک واحد ALU در QCA میتواند برای n ورودی تعریف شود که برای آنها نیز خروجیهای گوناگونی هم میتواند تعریف شود، در این مقاله ALU ارائه شده دارای 3 ورودی تک بیتی بوده که برای آنها خروجیهای Buffer، Not، AND، OR، NAND، NOR، XOR و Full Adder تعریف شده است. برای شبیهسازی و بررسی نتایج بهدست آمده از واحد ALU طراحی شده از نرمافزار QCA Designer نسخه 2.0.3 بهره برده شده است.

مقدمه

در دهههای اخیر، کوچک شدن ویژگی اندازه و افزایش قدرت پردازش بهصورت موفقیتآمیز توسط لیتوگرافی مرسوم بر اساس طراحی VLSI پیادهسازی شده است. امروزه تکنولوژی نانو توجه بیشتری را از جانب محققین جذب کرده است. به دلیل جریان، تکنولوژی CMOS با مشکلات چالشبرانگیز مختلفی مانند مصرف توان بالا روبرو بوده و نمیتوان از مشکلات کاهش اندازه مدار چشمپوشی کرد. از جمله مزایا و نقشهای کلیدی QCA میتوان به تقاطع سیمهای هم صفحه، پردازش در طول سیم - Processing in Wire - و حافظه در حرکت - Memory in Motion - اشاره کرد.

قابلیت اطمینان به خصوصیات منحصربهفرد دیوایسهای الکترونیکی در ابعاد نانو، تکنولوژی نانو چشمانداز جدیدی را برای سیستمهای محاسباتی و دیوایسها بیان میدارد. QCA پیشنهاد شده توسط Lent، یک تکنولوژی نوظهور بوده که یک رویکرد نوآورانه برای محاسبه در ابعاد نانو با نظارت بر محل تک الکترون ارائه میدهد. تکنولوژی QCA ویژگیهایی مانند سرعت بالا، توان فوقالعاده پایین، سرعت بالای سوییچینگ و مدار متراکمتر را دارا میباشد که فرکانس کلاک مدارات منطقی را افزایش و اندازه را کاهش میدهد و توان مصرفی آن مدارها نیز تخمین زده میشود.

واحد ALU واحدی پردازشی و محاسباتی میباشد که طراحی آن با استفاده از مدارات ترکیبی انجام میشود که سبب کاهش پیچیدگی شبیهسازی منطقی میشود. یک واحد ALU در QCA میتواند برای n ورودی تعریف شود که برای آنها نیز خروجیهای گوناگونی هم میتواند تعریف شود، برای مثال در [1] دو ورودی a و b اعمال شده و خروجیهایی از قبیل AND، OR، NAND، NOR و ... حاصل شده است.همچنین در [2] نیز خروجیهای Arithmetic Extender، Logical Extender و Full Adder ارائه گردیده است. در این مقاله ALU ارائه شده دارای 2 ورودی تک بیتی بوده که برای آنها خروجیهای Buffer، Not، AND، OR، NAND، NOR، XOR و Full Adder تعریف شده است.

گیت XOR شاید یکی از بخشهای حیاتی در اکثر طراحیهای مدرن مدارات پیچیدهی دیجیتالی باشد. در این مقاله تحقیقی گیت بهینه XOR را پیشنهاد میکنیم که در هر مدار دیجیتالی پیچیدهای میتواند پیادهسازی شود.

در بخشهای آتی، اساس تکنولوژی QCA، طراحی و اجرای گیت XOR، مقایسه طراحی گیت XOR طراحیشده با برخی از جدیدترین مسائل اجرا شده، توصیف طراحی و شبیهسازی واحد پردازشی ALU و استفاده از گیت XOR پیشنهادی در آن برای مدارات QCA بیان میشود. در نهایت نیز نتیجهگیری آورده شده است.

روش تحقیق

تکنولوژی کوانتوم بهتدریج در زمینههای مختلف اعمال شده است، آتوماتای سلولی کوانتومی نقطهای بهعنوان تکنولوژی نانو محتمل برای ICهای نانوی آینده میباشند. اساس تکنولوژی QCA بر فعل و انفعالات سلولهای QCA متشکل شده از 4 نقطه کوانتومی - Dot - میباشد. سلول با کمک 2 الکترون آزاد که قادر به تونلزنی میان نقاط آزاد میباشد شارژ میشود. این الکترونها در نتیجه تقابل مغناطیسی و دافعه در محلهای مخالف هم قرار میگیرند. بنابراین اینجا 2 مورد، معادل حداقل انرژی بین 2 الکترون موجود در سلول QCA وجود دارد، اما همانطور که در شکل 1 نشان داده شده هیچ مسیر جریانی خارج از سلول دیده نمیشود.

الف.دیوایسهای منطقی QCA

این مدیریتها پلاریزه سلول را بیان میکند، P=+1 و P=-1، این 2 پلاریزههای سلول میباشند، P=+1 منطق ʽ1ʼ و P=-1 منطق ʽ0ʼ را بیان میکنند، اطلاعات باینری در شارژ پیکربندی سلول QCA رمز میشوند. برخلاف مدارهای منطقی معمولی که در آن انتقال اطلاعات توسط جریان الکتریکی صورت میگیرد، در QCA توسط نیروی تعامل کولمب که حالتهای یک سلول را به حالات سلولهای همسایهاش متصل میسازد انتقال اطلاعات صورت میگیرد. یکی از گیتهای اولیه QCA گیت اکثریت میباشد، تابع منطقی اصلی گیت اکثریت در - 1 - نشان داده شده است. گیت اکثریت از 5 سلول QCA تشکیل شده که در شکل - الف - 2 نمایش داده شده است، شکل - ب - 2 نیز بلوک دیاگرام منطقی گیت اکثریت را نمایش میدهد.

شکل- 1 آتوماتای سلولی کوانتومی

شکل- 2 - الف - گیت اکثریت - QCA - و - ب - بلوک دیاگرام پایه گیت اکثریت QCA

توابع منطقی AND - شکل - الف - - 3 و OR - شکل - ب - - 3 با استفاده ازگیت اکثریت با تنظیم کردن یکی از ورودیها به 0 یا 1 - ورودی کنترل - قابل پیادهسازی هستند. معکوس کننده نیز گیت پایه دیگری در QCA میباشد که در شکل - پ - 3 نشان داده شده است. باس پیوسته نیز - سیم - در شکل - ت - 3 قابل مشاهده است.