بخشی از مقاله
چکیده
آتوماتای کوانتومی سلولی نقطهای - - QCA یک تکنولوژی جدید و در حال ظهور برای پیادهسازی مدارات دیجیتال در مقیاس نانو است که دارای قابلیتهای منحصربفرد و بسیار جذاب میباشد. با گذشت زمان این امید وجود دارد که تکنولوژی QCA جایگزین فناوری نیمههادی اکسید فلزی مکمل - CMOS - شود. این مقاله یک طراحی بهینه و جدید از مقایسهگر کامل تک بیتی را نشان میدهد. مقایسهگرها از مدارات دیجیتالی بسیار مهم در سیستمهای کامپیوتری میباشند. طراحی وشبیهسازی مقایسهگر پیشنهادی با استفاده از نرمافزار QCADesigner انجام شده است. در مقایسه با سایر مدارهای QCA، مقایسهگر پیشنهادی بدون عبور سیمها از روی هم پیادهسازی شده است که این امر منجر میشود طرح ارائه شده قابلیت ساخت آسانی از نظر فیزیکی در مقایسه با رقبای خود داشته باشد.علاوه بر آن در مقایسه با کارهای قبلی از نظر تعداد سلول و مساحت بهینه می باشد . همچنین طرحی QCA پیشنهاد شده با تکنولوژی CMOS مقایسه شده است. نتایج نشان میدهد که طرح QCA از نظر مساحت، توان و تاخیر بسیار بهینهتر است.
کلمات کلیدی: QCA، مقایسهگر کامل تک بیتی، .VLSI
.1 مقدمه
امروزه علم و فناوری در بسیاری از زمینه ها تقریبا به مرز نهایی خود نزدیک می شود و شاید دیگر جوابگوی توقعات بشر نباشد. اینجاست که نانوتکنولوژی قابلیتهای نهفتهی خود را یکی پس از دیگری به بشر عرضه نموده و به یکی از مهمترین و جذابترین زمینههای تحقیقاتی بشر در سالهای اخیر تبدیل شده است. در حال حاضر تکنولوژی حاکم برای پیاده سازی سیستمهای کامپیوتری و مدارهای منطقی، در قالب مدارات مجتمع که تحولی شگرفت در صنعت الکترونیک ایجاد کرده تکنولوژی VLSI است. اما این تکنولوژی در مقیاس نانو با محدودیتهایی مواجه است . از جملهی این محدودیتها میتوان به توان مصرفی بالا، محدودیت در کاهش طول کانال و محدودیت فیزیکی ساخت اشاره کرد.[1]
بنابراین با گذشت زمان این روند دیگر جواب گوی نیاز بشر امروزی نخواهد بود. هر چند با اختراع ترانزیستورها توانسته ایم تا حدودی وارد میکروالکترونیک شده و از آن بهرهمند شویم با این وجود برای ساخت کامپیوترها به مشکل برخورد کرده، مشکلی به بزرگی کوچککردن اندازه در حد اتمی که تقریبا تمام استراتژیهای حل این مسئله به نوعی با نانوتکنولوژی در ارتباط میباشند. آتوماتای کوانتومی سلولی نقطهای یا به اختصار QCA یک نانوتکنولوژی جدید و در حال ظهور برای پیادهسازی گیتها و مدارات منطقی با پتانسیل بالا و کاربردهای بالقوه در کامپیوترهای آینده است 2]و.[3
این تکنولوژی دارای ویژگیهای بسیار شگفتانگیزی از قبیل: توان مصرفی پایین، سرعت پردازش بالا، مساحت کم و سرعت انتقال اطلاعات بالا است. مدارات پیاده سازی شده در تکنولوژی QCA بدلیل توانایی آن در عبور سیم ها از روی هم، در مقایسه با تکنولوژی CMOS از مساحت کمتری برخوردار هستند. همچنین بدلیل نبود جریان در تکنولوژی QCA و نبود خازن در آن ما شاهد توان مصرفی بسیار پایینی در مقایسه با تکنولوژی CMOS خواهیم بود. با توجه به ویژگیهای ذکر شده با گذشت زمان این امکان وجود دارد که QCA جایگزین تکنولوژی CMOS امروزی شود 4]و.[5
در حال حاضر این تکنولوژی در مرحله آزمایشگاهی است به گونه ای نوع مولکولی آن برای پیادهسازی مدارهای دیجیتالی به دمای 1 درجه کلوین نیاز دارد. طراحی مدارات با استفاده از تکنولوژی QCA برمبنای اثر دافعه کولمب میباشد که در آن از سلول QCA برای پیادهسازی مدارات منطقی استفاده میشود.[6] این مقاله یک طراحی جدید از مقایسهگر کامل تک بیتی QCA را ارائه میدهد. طرح ارائه شده بدون عبور سیمها از روی هم پیادهسازی شده است که این امر سبب میشود طرح پیشنهادی از لحاظ فیزیکی قابلیت ساخت آسانتری نسبت به طرحهای قبلی داشته باشد. در ادامه به اجزای تشکیل دهنده QCA، معرفی طرح ارائه شده، نتایج بدست آمده از طرح پیشنهادی اشاره خواهیم کرد.
.2 اجزای تشکیل دهنده: QCA
تکنولوژی QCA اولین بار توسط Lent و Tougaw مطرح شد .[7]سلول : QCA مبنا و اساس پیادهسازی مدارات دیجیتال و گیتهای منطقی در تکنولوژی QCA بر اساس یک سلول QCA است. سلول QCA از 4 نقطه کوانتومی در چهار گوشهی یک مربع تشکیل شده است . این سلول شامل 2 الکترون آزاد است که میتوانند آزادانه بین نقاط کوانتومی حرکت کنند ولی نمیتوانند از سلول خارج شوند 8] و.[9 این الکترونها بر اساس قانون دافعه کولمب مجبورند بصورت مورب بین نقاط کوانتومی قرار بگیرند - بر روی قطرهای مربع - بنابراین حرکت الکترونها دو قطبش را ایجاد میکند، قطبش P=+1 و قطبش P=-1 که به ترتیب معرف 1 و 0 دو بیتی میباشند شکلهای - 1الف - و - 1ب - به ترتیب قطبشهای موجود را نشان میدهند 10]، 11 و.[12
سیم : QCA از سیم برای انتقال اطلاعات از ورودی به خروجی استفاده میشود. سیمها در QCA به دو دسته تقسیم میشوند: سیم 90 درجه و سیم 45 درجه که به ترتیب در شکلهای - 2الف - و - 2ب - نشان داده شده است. از مزایای QCA عبور سیمها از روی هم میباشد که در آن سیمها میتوانند به دو صورت همسطح و چند لایه از روی هم عبور کنند. هر دو ساختار به ترتیب در شکلهای - 2پ - و - 2ت - نشان داده شدهاند.طبق این معادله، خروجی این گیت تابعی از اکثریت ورودی است. چینش گیت اکثریت، شماتیک مداری و نتایج شبیهسازی آن در شکل 3 نشان داده شدهاند. گیت AND و گیت:OR گیت های AND و OR بوسیله گیت اکثریت پیاده سازی می شوند.اگر یکی از ورودیهای گیت اکثریت دارای قطبش ثابت باشد. چینشQCA، شماتیک مداری و نتایج شبیهسازی گیتهای AND و OR به ترتیب در شکلهای 4 و 5 نشان داده شده است.گیت معکوسکننده: این گیت معادل گیت NOT است. که از قرار گرفتن 2 سلول بصورت مورب در کنار هم تشکیل میشود. این گیت دارای طرحهای مختلفی است. چینش QCA گیت معکوسکننده ، شماتیک مداری و ونتایج شبیهسازی آن در شکل 6 نشان داده شده است.
