مقاله طراحی بهینه گیت Toffoli در تکنولوژی QCA و مقایسه آن با تکنولوژی CMOS

بخشی از مقاله

چکیده

اخیرا تکنولوژی CMOS بهدلیل محدودیتهای فیزیکی در کاهش سایز ترانزیستورها با مشکلات جدی روبرو شده است. اتوماتای کوانتومی سلولی نقطهای یا به اختصار QCA با داشتن سرعت بالاتر انتقال اطلاعات، سایز کوچکتر مدارهای ساخته شده با آن و همچنین توان مصرفی کمتر این توانایی را دارد که در آینده به عنوان جایگزین تکنولوژی CMOS مطرح شود. در این مقاله یک طراحی بهینه از گیت Toffoli در تکنولوژی QCA ارایه شده است. پیادهسازی و شبیهسازی چینش گیت Toffoli با استفاده از نرمافزار QCADesigner انجام شده است.

مدار پیشنهاد شده با مدارهای پیشین QCA - از نظر تعداد سلول بکار رفته، مساحت اشغال شده و تاخیر از ورودی به خروجی - و همچنین با تکنولوژی CMOS - از نظر مساحت اشغال شده، توان مصرفی، تاخیر از ورودی به خروجی و فرکانس کاری - مقایسه شده است. نتایج مقایسه نشان میدهد که از هر لحاظ گیت Toffoli پیشنهادی ما بر کارهای انجام شده پیشین برتری دارد.

-1 مقدمه

اتوماتای کوانتومی سلولی نقطهای یا به اختصار QCA متکی بر پدیدههای فیزیکی جدید و تکنیک های نوآورانه است که اساسا از یک مدل مبتنی بر CMOS متفاوت است 2]و.[1 سلول QCA عنصر اساسی ساخت مدارای منطقی QCA است، که با 4 نقطه کوانتومی و 2 الکترون آزاد همانطور که در شکل - a - 1 نشان داده شده است ایجاد میشود 4]و.[3 در تکنولوژی QCA، اطلاعات دودویی یا باینری در 2 قطبش یا پلاریزه ممکن کد گذاری و نمایش داده میشوند P=1 - برای نشان دادن منطق "1" و P=-1 برای نشان منطق . - "0" دستگاه های QCA می توان با استفاده ترتیبات سلول های مختلف 6]و[5 ساخته شده است. سیم باینری و زنجیرهای معکوسکننده دو نوع سیم QCA هستند که در شکل - b - 1 نشان داده شده است.

سیگنالهای باینری در یک سیم QCA به دلیل تعامل الکترواستاتیک بین سلولها از ورودی به خروجی منتشر میشوند. گیت معکوسکننده QCA در شکل - a - 2 انشان داده شده است که معمولا با قرار دادن گوشههای سلولها در کنار هم ایجاد میشود. شکل - b - 2 گیت اکثریت QCA نشان می دهد که مهمترین گیت در این تکنولوژی محسوب میشود، تابع خروجی این گیت توسط معادله زیر به ورودیهای آن ارتباط دارد: شماتیک مداری گیتهای معکوسکننده و اکثریت به ترتیب در شکلهای - c - 2 و - d - 2 نشان داده شدهاند،. با استفاده از سیم QCA و گیتهای معکوسکننده و اکثریت هر مدار منطقی در تکنولوژی QCA قابل پیادهسازی است.

تاکنون کارهای زیادی در زمینه پیادهسازی مدارهای منطقی در تکنولوژی QCA صورت گرفته است.[7-11] در این مقاله، گیت Toffoli در تکنولوژی QCA پیادهسازی و شبیهسازی شده است. مدار پیشنهاد شده از نظر تعداد سلول QCA بکار رفته، مساحت اشغال شده و تاخیر ورودی به خروجی بهینه شده است. در نهایت گیت Toffoli پیشنهادی با کارهای انجام شده پیشین در تکنولویی QCA و همچنین در تکنولوژی CMOS مقایسه شده است. پیادهسازی و شبیهسازی چینش گیت Toffoli با استفاده از نرمافزار QCADesigner انجام شده است.[12]

-2 طراحی گیت Toffoli

گیت Toffoli یک گیت منطق برگشت پذیر عمومی - universal reversible logic gate - که برای اولین بار توسط Tommaso Toffoli پیشنهاد شد. این گیت میتواند در ساخت هر مدار برگشتپذیر استفاده شود .[13] در شکل 3 شماتیک مداری گیت Toffoli به همراه معادلات مربوط به ارتباط بین ورودیها و خوجیهای آن نشان داده شده است. در این شکل A، B و C ورودیهای گیت Toffoli و خروجیها P، Q و R هستند. شکل 4 چینش پیشنهادی مدار گیت Toffoli در تکنولوژی QCA را نشان میدهد که با استفاده از گیتهای اکثریت و معکوسکننده در نرمافزار QCADesigner پیادهسازی شده است.

چینش مداری پیشنهاد شده از 4 گیت اکثریت و یک گیت معکوسکننده ساخته شده که 3 گیت اکثریت آن در نقش گیت AND و یکی در نقش گیت OR ظاهر شده است. در پیادهسازی گیت Toffoli سعی شده که تعداد سلولهای بکار رفته، مساحت اشغال شده و تاخیر از ورودی به خروجی حداقل شود. همچنین برای اینکه پیادهسازی عملی آن ساده باشد در چینش پیشنهاد شده هیچ دو سیمی از روی یکدیگر عبور نکردهاند و طراحی مدار فقط در یک لایه صورت گرفته است. تعداد سلول بکار رفته در چینش شکل 4 برابر با 39، مساحت اشغال شده برابر با ./028 ʽm2 و حداکثر تاخیر از ورودی به خروجی برابر با 3 فاز ساعت است. همچنین توان مصرفی مدار 30 فمتو وات، فرکانس کاری مدار 1 ترا هرتز و حداکثر تاخیر آن در حدود 46 فمتو ثانیه است.