بخشی از مقاله
چکیده :
جمعکننده ها از مهمترین اجزاء سیستم های دیجیتال هستند؛ طوری که پارامتر های مداریِ سیستم های دیجیتال را تحت تأثیر قرار می دهند. در این مقاله ابتدا یک تمامجمعکنندهی جدید معرفی می شود. طراحی این تمام جمعکننده بگونه ای انجام شده که برای استفاده در ساختار جمعکنندهی موجگونه بهینه باشد. سپس طرح پیشنهادی در ساختار جمعکنندهی موجگونه مورد ارزیابی قرار می گیرد و با جمعکننده های موجگونهی مبتنی بر تمام جمعکنندههای معرفی شدهی اخیر مقایسه می گردد
مهمترین خصوصیت طرح پیشنهادی در مقایسه با ساختار های قبلی ارتقاء سرعت محاسبه جمع بدون تحمیل سربار سخت افزاری به مدار است. طرح پیشنهادی با استفاده از ترانزیستورهای نانولوله کربنی پیاده سازی شده و به منظور بررسی صحت عملکرد مدار و استخراج پارامترهای مداری آن از ابزار شبیه سازی HSPICE استفاده شده است.
نتایج شبیه سازی نشان میدهد در یک جمعکنندهی موجگونهی هشت بیتی مبتنی بر تمام جمعکنندهای که در این مقاله معرفی میشود، پارامتر PDP، حداقل %37,64 در مقایسه با جمعکنندهی موجگونه مبتنی بر بهترین تمامجمع کنندهای که اخراًی معرفی شده، بهتر شده است.
-1 مقدمه
ترانزیستورهای MOSFET و تکنولوژی CMOS بیشترین سهم در پیاده سازی مدارات دیجیتال را به خود اختصاص دادهاند. تاکنون سیستمها و ابزارهای سودمند فراوانی نظیر کامپیوترها، تلفنهای همراه، دوربینهای دیجیتال و دیگر ابزارهای الکترونیکی توسط آنها ساخته شده است. پیشرفتهای عمده این تکنولوژی مدیون کوچکتر شدن اندازه ترانزیستورهاست. کوچکتر شدن اندازه ترانزیستورها این امکان را می دهد که تعداد ترانزیستورهای داخل تراشه را افزایش داد؛ در نتیجه امکانات و قابلیتهای تراشه را ارتقاء بخشید و قانون مور را تحقق داد
اما با وجود پیشرفت های زیاد در علم فیزیک و شیمی ادامه این روند با چالشهای بزرگی روبروست. بطوری که کوچکتر کردن سایز ترانزیستورها محدودیتهای جدی را پیش روی دارد. از جمله اثرات کوانتومی و بالا رفتن دمای تراشه. از این رو بررسی و تحقیق بر روی ابزارها و تکنولوژیهای جایگزین امری اجتناب ناپذیر است. یکی از این ابزارها که از دستاوردهای نانوتکنولوژی ست و شانس بالایی برای جایگزین شدن با تکنولوژی مرسوم سیلیکون را دارد »ترانزیستورهای اثر میدانی نانولوله کربنی - CNFETs - « است
در این ترانزیستورها از »نانولولهکربنی « به عنوان »کانال انتقال« استفاده میشود. بر اساس نحوه چیده شدن اتمهای کربن، هر نانولوله می تواند رسانا یا نیمه رسانا باشد. در ساخت CNFET ها از نانولولههای نیمه رسانا استفاده می شود
» جمع « یکی از بنیادیترین اعمال حسابی است [5] که توسط آن میتوان مدارات حسابی پیچیده تر مانند »ضرب«، »تقسیم« و »توان « را پیاده سازی کرد [7] [6] زیرا در این محاسبات به طور گسترده از مدارات جمع و تفریق استفاده میشود. از آغاز پیدایش سیستمهای دیجیتالی و مدارات حسابی تحقیقات گستردهای بر روی جمعکنندهها انجام شده است و این تحقیقات همچنان ادامه دارد. چرا که با ارتقاء کارایی عملیات جمع، میتوان پارامترهای مداری مدارات مشتق شده از آنها را ارتقاء داد
از جمله این پارامترها »تأخیر«، »توان مصرفی« و »پیچیدگی« قابل ذکر است. عملیات جمع به دلیل وسعت کاربرد یکی از اجزای حیاتی پردازندههاست همچنان که در واحد محاسبات منطقی، واحد محاسبات اعشاری و محاسبه آدرس برای دسترسی به حافظه نهان و حافظه اصلی استفاده میشود .[9] از این رو پیاده سازی این عملیات حسابی، طوری که »سریع« و »کم مصرف « باشد جهت ساخت تراشه ای سریع و کم مصرف یک ضرورت است
بنابراین می توان گفت افزایش کارایی عملیات جمع یکی از چالشهای بزرگ در طراحی و پیادهسازی مدارات حسابی است. جمعکننده موجگونه - Ripple Carry adder - یا به اختصار RCA ساده ترین و کم هزینه ترین و از نظر توان مصرفی کم مصرف ترین جمعکننده می باشد .[10] [5] جمعکننده های موجگونه از اتصال آبشاری چندین تمامجمعکننده - full adder - ساخته می شوند.
برای غلبه بر تاخیر انجام محاسبات جمع، ساختار های متفاوتی از قبیل جمعکننده پیش بینی رقم نقلی، جمعکننده پیشوندی، جمعکننده پرش نقلی و جمعکننده انتخاب رقم نقلی پیشنهاد شده است .[5] [10] [11] اما تمامی این طرح ها موجب تحمیل سخت افزاری اضافی به مدار می شوند. یکی از اثرات سوء افزایش سخت افزار، بالا رفتن توان مصرفی است. در این مقاله یک تمامجمعکننده جدید ارائه می گردد، که با استفاده از آن می توان بدون افزایش سخت افزار و توان مصرفی یک جمعکنندهی موجگونهی پر سرعت را پیاده سازی کرد.
در دو بخش بعدی مقاله به ترتیب ترانزیستور های نانولوله کربنی و جمعکنندهی موجگونه بطور مختصر بررسی می شوند و در بخش چهارم طرح پیشنهادی که با استفاده از ترانزیستورهای نانولوله کربنی پیاده سازی شده است معرفی می شود. این بخش شامل جزئیات طراحی، محاسن و نتایج شبیه سازی است. در انتها نیز نتیجه گیری و جمع بندی ارائه می گردد. مدار معرفی شده توسط ابزار شبیه سازی HSPICE و با بکارگیری مدل ارائه شده دانشگاه استانفورد [12] تحلیل و صحت عملکرد آن بررسی شده است.
-2 ترانزیستورهای نانو لوله کربنی
در ترانزیستورهای نانو لوله کربنی - CNFET - از »نانولوله کربنی - CNT - « به عنوان کانال انتقال استفاده میشود. این کانال بین »سورس« و »درین« و در نزدیکی »گیت« قرار می گیرد .[1] نانولوله کربنی را می توان یک صفحه از گرافیت - گرافیت یک allotrope از کربن است - تصور کرد که به دور خود پیچیده شده و یک استوانه توخالی را تشکیل داده است. راستای این پیچش را می توان با یک بردار به نام بردار کایرالیتی - Ch - نشان داد. برای بررسی این بردار دو بردار یکه به نام بردارهای a1 و a2 تعریف می شوند که هر یک به ترتیب دارای اندازهn1 و n2 هستند. n1 و n2 دو عدد صحیح و مثبت هستند
با توجه به مقادیرn1 و n2 سه پیکربندی متفاوت برای نانولوله به وجود می آید. الف - اگر یکی از این دو بردار صفر باشد نانو لوله zigzag است. ب - اگر n1=n2 باشد نانولوله armchair و ج - در مابقی حالات نانولوله Chiral خواهد بود. از نظر رسانایی الکتریکی اگر n1=n2 و یا i - n1-n2= 3i یک عدد صحیح است - باشد، نانولوله رسانا - فلزی - و در غیر این صورت نیمه رسانا خواهد بود.
شکل.1 صفحه تابیده نشده گرافیت
مقاومت الکتریکی نانولوله بسیار کم است و الکترونها با مواجه شدن با مقاومت ناچیزی می توانند در طول نانولوله حرکت کنند. مقدار این مقاومت بسیار کمتر از رساناهای مرسومی است که در حال حاضر استفاده می شوند .[13] اگر نانولوله تنها از یک لایه اتم تشکیل شده باشد SWCNT و اگر چند لایه باشد MWCNT نامیده می شود. برای ساخت ترانزیستورهای CNFET از نانولوله های نیمه رسانای تک دیواره - SWCNT - استفاده میشود. همانند ترانزیستورهای MOSFET، CNFET ها هم انواع N وP دارند. اما مزیت خوب CNFET ها این است که نوع N و P دارای سایز و Mobility یکسان هستند
از آنجایی که کانال CNFET ها در مقایسه با MOSFET ها دارای مقاومت کمتریست، در نتیجه میتوان توان مصرفی و دمای تراشه را با بکارگیری این ترانزیستورها کاهش داد. اندازه بردار Ch برابر محیط دایرهی قاعدهی نانولوله کربنی است و از رابطه.1 بدست میآید .[15] با تقسیم Ch بر قطر نانولوله که یک پارامتر مهم در طراحی مدارات است بدست میآید. ولتاژ آستانه CNFET با قطر نانولوله آن رابطه عکس دارد. برای محاسبه ولتاژ آستانه هر ترانزیستور CNT با قطر D می توان از رابطه.2 استفاده کرد .[15] در نتیجه با تغییر قطر نانولوله میتوان ترانزیستورهایی با ولتاژ های آستانه متفاوت ساخت. شکل.2 یک CNFET را نشان می دهد.
در این رابطه e نشان دهنده ی بار الکترون، a فاصله اتم های کربن از یکدیگر با مقدار تقریبی 0,249، DCNT قطر نانولوله و مقدار V تقرباًی برابر با 3,033 می باشد.
شکل. - a - 2 نمای روبروی و - b - نما از بالای یک CNFET
-3 جمعکنندهی موجگونه
جمعکنندهی موجگونه از نظر ساختار جزء جمعکننده های انتشار رقم نقلی - CPA - دسته بندی میشود و بعد از جمعکنندهی سریال که تنها از یک تمامجمعکننده و یک فلیپ فلاپ برای رقم نقلی ساخته می شود، ساده ترین و آهسته ترین - کندترین - نوع جمعکننده است، اما با این وجود برای استفاده در جمع هایی با طول اپرند کوتاه میتوانند بسیار کم هزینه و موثر باشند. به منظور پیاده سازی یک جمعکننده موجگونه، -nبیتی نیازمند n عدد تمامجمعکننده - FA - هستیم، به طوری که رقم نقلی خروجی تمامجمعکننده -iام به رقم نقلی ورودی تمامجمعکننده - - i+1 - ام متصل میشود. خروجی حاصل از این n تمام جمع کننده، n حاصل جمع - S - و یک رقم نقلی خروجی است. ساختار کلی یک جمعکنندهی موجگونه در شکل 3 نمایش داده شده است.
شکل 3 ساختار یک جمعکنندهی موجگونه از مزایای جمعکننده های موجگونه می توان به تبدیل آسان
آنها به تفریق گر باینری و جمع کننده/تفریق کننده مکمل 1 و2 بدون تحمیل هزینه سخت افزاری زیاد اشاره کرد. این نوع جمعکننده بویژه برای کاربردهایی که طول بیت ها خیلی زیاد نیست کارآمد تر هستند .[11] به عنوان مثال این نوع جمعکننده ها در سیستم اعداد مانده ای برای استفاده در مجموعه پیمانه های کوچک بسیار مفید هستند
از آنجایی که هزینه سخت افزاری و توان مصرفی این جمعکننده ها پایین است [10] بخصوص برای تجهیزات قابل حمل مانند تلفن های همراه، PDAها، پخش کننده های موسیقی و ماشین حساب ها کاربردی هستند. تاخیر و هزینه سخت افزاری این جمعکننده رابطه مستقیم و خطی با n دارد [5] بطوری که گسترش n موجب افزایش تاخیر و هزینه سخت افزای مدار می شود. هر تمامجمعکننده در بیت -iام وابسته به جمعکننده ماقبل از خود است - بیت -i-1ام - . چرا که در رابطه Ai+Bi+Ci-1 ، Ci-1 در جمعکننده i-1 محاسبه می شود. خط چین در شکل 3 مسیر بحرانی تاخیر را نشان می دهد.
-4 تمام جمعکنندهی پیشنهادی
با توجه به شکل - 3 - ورودی های A و B همزمان به طور موازی به تمامجمعکننده ها اعمال می شوند و تنها وابستگی بلوک های تمامجمعکننده به علت سیگنال رقم نقلی است که بایستی از محل Cin وارد شده و به صورت سریال - آبشاری - به هر یک از تمامجمعکننده های دیگر وارد شود. هر چه مدت زمان تولید رقم نقلی در تمامجمعکننده ها بیشتر باشد، زمان کلی برای محاسبه جمع افزایش پیدا خواهد کرد. بنابراین در ساختار جمعکنندهی موجگونه تاخیر تولید رقم نقلی در هر تمامجمع کننده از زمان تولید جمع پر اهمیت تر و بحرانی تر است. به عبارت دیگر تمامجمعکننده ای برای ساختار جمعکنندهی موجگونه مناسب است که تاخیر تولید رقم نقلی در آن مینیمم باشد. در روش انتشار رقم نقلی منچستر می توان وابستگی بیت ها را در شرایطی خاص کاهش داد
