بخشی از مقاله
خلاصه
با توجه به روند حرکت به سمت فناوری نانو و نیاز به سرعتهای بالاتر در ابعاد کوچک و با پیشرفت مجتمع سازی در تکنولوژی VLSI دانشمندان در پی روشهای جدیدی نیز بوده اند تامشکلات موجود در VLSI مثل مساحت زیاد و توان مصرفی بالا و سرعت پایین و مسایل مربوط به جریانهای الکتریکی را برطرف نماییم و تکنولوژی - Quantum-dot QCA Cellular Automata - که در مقیاس نانو طراحی و پیاده سازی می گردد تمامی اشکالات مطرح شده را می تواند برطرف نماید وحذف جریان الکتریکی یکی از دلایل محبوبیت آن محسوب می گردد و حذف عنصر خازن کار طراحی را برای ما ساده تر می کندامید است با برطرف شدن مشکلات مربوط به ساخت ما به کمک QCA وارد مقیاس نانو شویم و جهش فوق العاده ای را از لحاظ سرعت و ابعاد کوچک و توان مصرفی پایین شاهد باشیم این تکنولوژی نو ظهور دارای پتانسیل مناسبی جهت ساخت کامیوترهای نسل آینده می باشد در QCA هر چه اندازه اجزا کاهش یابد بازدهی بیشتر می شود بر خلاف CMOS که کاهش ابعاد باعث کاهش بازدهی می شود در این مقاله قصد داریم تا یک مدار تمام جمع کننده - Full adder - را که یکی از مدارات اساسی در محاسبات و کامپیوترها محسوب می گردد رادر QCA طراحی و ارایه نماییم و با کارهایی انجام شده قبلی از نظر مساحت تعداد لایه ها و تعداد سلول و تاخیر مقایسه می کنیم همچنین طرح را با تکنولوژی VLSI کنونی از لحاظ سرعت و مقیاس و توان مصرفی مقایسه می نماییم برای شبیه سازی طرحهای ارایه شده و شکل موجهای ورودی و خروجی حاصل از آنها از نرم افزار QCA Designer و LEDIT استفاده می نماییم.
کلمات کلیدی: Quantum-dot Cellular Automata , QCA ، VLSI، سلولQCA ،تمام جمع کننده ، نانو تکنولوژی , CMOS
.1 مقدمه
QCA یک نانوتکنولوژی جدید×برای×پیاده سازی مدارهای منطقی است؟ توان مصرفی پایین , مساحت کم، سرعت پردازش بالا، انتقال سریع اطلاعات همچنین عبور سیمها از روی هم از مزایای این تکنولوژی میباشددر آینده این شانس وجود دارد که از QCA به عنوان رقیب جدیددر مقابل VLSI نام برد 1]و[2و طبق قانون مور تقریبا هر دو سال یکبار تعداد ترانزیستورهای روی یک تراشه دو برابر شده است با وجود این تکنولوژی CMOS دارای نقاط ضعفی مثل محدودیت فیزیکی، توان مصرفی بالا، محدودیت در کاهش طول کانال و کاهش مقاومت در خروجی مواجه می باشد [3] و به عنوان مثال بسیاری از فنون آنالوگ که فقط 10 سال پیش کاربرد داشت به دلیل آن که تناسبی برای ولتاژهای پایین نداشت الان دیگر کاربرد ندارد و مطرود شده است VLSI [4].
یا مجتمع پذیری در مقیاس خیلی بزرگ حوزه ای است که با اجزای الکترونیکی بسیار بسیار فشرده در مساحتی بسیار کوچک سر و کار دارد ولتاژ منبع تغذیه آن نیز طی سالیان متمادی کاهش یافته اما به دلیل افزایش پیجیدگی - بنا بر قانون مور - توان مصرفی کل ترتشه ها در حال افزایش است . [5] طرحهای متفاوتی برای تمام جمع کننده در تکنو لوژی QCA ارایه شده است مثلا طراحی در چند لایه در ریفرنس [6] با 86 سلول و 3 کلاک تاخیر و مساحت 0.1 میکرومتر مربع و در ریفرنس [8] با 73 سلول و 3 تاخیر و مساحت 0.04میکرومترمربع می باشد و در ریفرنس که بدون لایه هست دارای 12 تاخیر و 299 سلول و مساحت 0.416 میکرومتر مربع می باشد . طرح ارایه شده در این مقاله مشابه کارهای قبلی ولی با تاخیر 8 کلاک و 301 سلول ومساحت 0.3 میکرومتر مربع می باشدو فقط در دو لایه طراحی گردیده است .
.2 معرفی اجزای QCA
ابعاد مدارات QCA نسبت به CMOSبسیار کوچکتر است حتی ابعاد سلول QCAدر حد مولکول یا اتم قابل پیاده سازی است QCA مصرف توان خیلی پایینی نسبت به CMOSدارد چون نه تنها جریانی در مداروجود ندارد خازن خروجی هم در مدار نخواهد بود می دانیم که در تکنولوژی TTL گیت NAND گیت پایه برای طراحی مدارات منطقی بود یعنی می شد بقیه گیتها را با آن ساخت و در تکنولوژی CMOS گیت پایه ما گیت NOR بود ما در تکنولوژی QCA دو گیت NAND و اکثریت داریم که بقیه گیتها را از روی انها می سازیم . حال توضیح می دهم که این دو گیت در این تکنولوژی از سلول QCA ساخته می شوند.
سلول : QCA
فناوری QCAبر پایه سلول کوانتومی QCA شکل گرفته است که در شکل 1نشان داده شده است سلولی متشکل از چهار حفره که به صورت مربعی در کنار یکدیگر قرار گرفته اند.سلول QCAدارای دو الکترون اضافی است، که به دلیل اثر تونل زنی الکترونها قادرند بین نقاط کوانتومی جابجا شوندو می توانند آزادانه بین حفره ها حرکت کنند.محل قرارگیری این دو الکترون در حفره ها با توجه به قانون دافعه کلمب درگوشه های مخالف اریب خواهد بود که دو ساختار را ایجاد می کند. این دو ساختار دو قطب +1 و -1 را نمایش می دهند که درشکل 1 - ب - نشان داده شده و در محاسبات، مقدارهای منطقی 1 و0را به ترتیب به آنها نسبت می دهیم.در این نانو تکنولوژی پیاده سازی کلیه گیتهای منطقی وانتقال و پردازش اطلاعات با سلول QCA انجام می شود 9 ]و [10
نحوه پیاده سازی سیم در : QCA
از کنار هم قرار دادن تعدادی از سلولهای QCA می توانیم به ساختار یک سیم برسیم که برای انتشار اطلاعات از آن استفاده می نماییم پلاریزه هر سلول بر سلول مجاور خود به دلیل قانون کلمب اثر می گذارد و پلاریزه سلول مجاور رامی تواند تغییر دهد ما دو نوع سیم در QCA داریم سیم باینری و سیم زنجیره معکوس کنندهدر نوع اول سیگنال باینری بدلیل تراکنش الکترواستاتیکی پلاریزه سلول اول به سلول مجاور و سپس به سایر سلولهای سیم کپی می شودو به خروجی می رسد در شکل 1 - الف - ما این سیم را مشاهده می کنیم ولی در زنجیره معکوس کننده درسلولهای QCA یک چرخش 45 درجه ایجاد شده است که باعث می شود پلاریزشن هر سلول با سلول مجاور متفاوت باشد که این سیم در شکل 2 - ب - نشان داده شده اند
