بخشی از مقاله
خلاصه
اتوماتای سلولی کوانتومی نقطه ای 1 - QCA - ، تکنولوژی نوظهور و گزینه ای نوید بخش برای جایگزینی تکنولوژی CMOS2 در آینده است. در سال های اخیر از QCA در طراحی مدارهای منطقی ترکیبی و ترتیبی به گستردگی استفاده شده است. QCA الگوی نوینی برای پردازش اطلاعات و اتباطات فراهم نموده و ویژگی های منحصربه فرد و جذابی مانند مدارهای بسیار فشرده، پردازش با سرعت بالا و اتلاف توان پایین تر نسبت به تکنولوژی مبتنی بر سیلیکون را دارا است.
در این مقاله با استفاده از فناوری QCA، دیکدر 2:4 فعال بالا طراحی شده است که فازهای کلاک را به سه عدد تقلیل داده که این مدار را سریعتر از نمونه های قبلی می سازد. همچنین تعداد سلول و فضای اشغالی نیز کاهش یافته و بنابراین باعث کاهش توان مصرفی نیز می گردد. طراحی و شبیه سازی با استفاده از نرم افزار QCA Designer صورت پذیرفته است.
.1 مقدمه
روند حرکت به سمت نانوتکنولوژی مسیری اجتناب ناپذیر به علت محدودیت کوچک سازی ابعاد CMOS می باشد. کاهش ابعاد اگرچه قدرت محاسبات را افزایش می دهد ولی باعث بروز برخی مشکلات شامل اتصالات داخلی در مدار به علت کوچک سازی ابعاد، جریان نشتی زیاد و توزیع توان ناکارامد میگردد.[1] رفع این مشکلات به تکنولوژی در ابعاد نانو نیاز دارد که بتواند جایگزینی برای تکنولوژی CMOS باشد3]،.[2
QCA یکی از اقسام فناوری نانو بوده که بر محدودیت های طراحی مدار با تکنولوژی CMOS غلبه کرده است. QCA تنها راه حل ابعاد نانو برای غلبه بر این مشکلات نیست اما تکنیک های جدیدی را برای انجام محاسبات و انتقال داده فراهم می سازدQCA .[4] انجام محاسبات با اتوماتای سلولی بر پایه آرایه ای از ادوات کوانتوم نقطه ای است که اصول اولیه آن توسط توگاو1 و لنت2 در سال 1993 بیان شده است.[5]
خاصیت منحصر به فرد این فناوری این است که حالات منطقی مانند صنعت الکترونیک متداول در سطح ولتاژ ذخیره نمی شود بلکه به وسیله یک سلول در مقیاس نانو ارائه می شود که قادر به رمز نگاری داده ها با توجه به موقعیت الکترون ها می باشد. برای انتقال داده، QCA از تکنیک کلاک زنی استفاده می کند که بر اساس افزایش یا کاهش سد تونل زنی عمل می کند.[1] تحقیقات اخیر نشان می دهد QCA می تواند به سرعت سوئیچ بالاتر[6] چگالی بالاتر[7] در مقایسه با تکنولوژی CMOS متداول و عملکرد در دمای اتاق برسد9]،.[8
.2 مبانی QCA
جزء پایه ساختار QCA یک سلول است. هر سلول از چهار نقطه کوانتومی تشکیل شده که دو الکترون به آن تزریق می شود. الکترون ها به شش حالت می توانند درون سلول قرار بگیرند اما به علت نیروی دافعه کولنی3 تنها دو حالت آن پایدار است که در آن الکترون ها دو گوشه مخالف یکدیگر را اشغال می کنند. الکترون ها می توانند درون سلول تونل زنی کنند ولی به خارج از سلول نه. این ویژگی در سلول ها پلاریزاسیون های پایدار P=+1 و P=-1 که به ترتیب نشان دهنده "1" و "0" منطقی هستند را همانند شکل -1الف ایجاد می نماید.[10]
سازه های QCA از کنار هم قرار دادن سلول ها تشکیل می شود. یک سیم می تواند از قرار دادن سلول ها یکی پس از دیگری تشکیل شود - شکل .1ب - . سلول های QCA به روی یکدیگر اثر گذاشته و سیگنال ورودی از ورودی به خروجی انتشار می یابد و سیم پلاریزاسیون سلول ورودی را دنبال می کند. شکل 2 انواع گیت معکوس کننده را نشان می دهد. این گیت ورودی " 1 " را به "0" و بالعکس تبدیل می نماید.
شکل -2 ساختارهای مختلف معکوس کننده [12] QCA الف. دو سلولی ، ب. چهار سلولی ، ج. هفت سلولی گیت پایه دیگر، گیت اکثریت گیر سه ورودی1 شکل 3 است که با معادله 1 بیان می شود. خروجی مقدار اکثریت سه ورودی A و B و C را تولید می کند. منطق اکثریت بر پایه روش القا می تواند محدودیت های زمانی و پیچیدگی مدارهای QCA را کاهش دهد. گیت AND و OR از گیت اکثریت گیر مشتق میشوند به این صورت که جهت ساخت گیت AND یک ورودی به روی مقدار "0" مانند معادله 2 و جهت ساخت گیت OR، مانند معادله 3 یک ورودی به روی مقدار "1" ثابت می شود.
