بخشی از مقاله
چکیده
در طی سالهای اخیر تأکید طراحان مدارات مجتمع حرکت به سمت تکنولوژی کوچکتر در راستای مصرف توان کمتر در همه سطوح مداری بوده است. کاهش توان مصرفی در کلیه مدارات از جمله واحد محاسبه و منطق، گیتها و ... دیده میشود. البته تمام تلاشها براین راستا بوده که علیرغم آنکه دو عامل توان مصرفی و تاخیر بالعکس یکدیگر عمل میکنند، علاوه بر کاهش مصرف توان، تاخیر نیز در کمترین میزان ممکن حفظ شود. دیگر پارامترهای مورد نظر طراحان مدارات مجتمع تعداد ترانزیستور و تکنولوژی مورد استفاده در مدار است.
در این مقاله طرح یک مالتی پلکسر با استفاده از ترانزیستورهای نانولولهکربنی ارائه شده است. پیرو مشکلات ماسفتها در تکنولوژیهای کوچک و نزدیک به نانو محققین به دنبال جایگزینی برای این نسل از ترانزیستورها هستند. ترانزیستورهای نانولولهکربنی به دلیل تشابه ساختاری به ماسفتها یکی از جایگزینهای محتمل مطلوب در این زمینه شناخته شدهاند. طرح ارائه شده علاوه بر کاهش تعداد ترانزیستورها، توان مصرفی مطلوب، از عملکردی کارآمد در ولتاژ پایین برخوردار است. این طرح در مقایسه با طرح مشابه ارائه شده دارای توان مصرفی به مراتب کمتری است.
مقدمه
CMOS تکنولوژی اصلی دهههای اخیر در طراحی مدارات مجتمع بوده و در پروسه روند کوچک شدن ترانزیستورها با هدف کارآمدی انرژی به صورت رضایت بخشی ایفای نقش کرده است. این روند تا آنجا ادامه پیدا کرد که کوچک تر کردن سایز ترانزیستورهای CMOS در اندازه نانومتری چالشهایی مثل تاثیر short-channel را ایجاد کرد که منجر به کاهش کنترل گیت میشود. این مشکلات سدی در مقابل کوچک کردن ابعاد در تکنولوژی CMOS شد و متعاقبا مانعی در راستای کاهش سرعت و کارآمدی انرژی در کاربردهای مختلف در چگالی بالا گشت. محدودیت اصلی تکنولوژی CMOS و انتظاراتی که محققین از قانون مور داشتند، آنها را به سمت جایگزینی این تکنولوژی سوق داد.
بدین منظور برای غلبه بر محدودیتهای مذکور، محققین تلاش کردند تا نانوتکنولوژیهایی مثل ترانزیستورهای تک الکترونیٌ ، اتوماتای سلولی کوانتوم نقطهایٍ و ترانزیستورهای نانولولهکربنیَ را بهبود دهند. در واقع موارد ذکر شده به عنوان جانشین محتمل CMOS معرفی شدهاند. در بین این موارد، تشابه بین زیرساخت ماسفت سنتی و CNTFET ، CNTFET را جایگزین مناسبی برای استفاده در طراحیها به جای CMOS بدون چالشهای سخت شناساند. CNTFET عملیات را با سرعت بسیار بالا انجام میدهد و با توجه به کارآیی بالاتر نسبت به CMOS، سرعت حامل بالاتر و مصرف توان پایینی که دارد به صورت قابل توجهی کارآمدتر است. همچنین قابلیت تحرک بیشتر برای تغییر حاملها، نوسان زیر آستانه کمتر و مولفههای پارازیتی کمتر از ویژگیهای ممتاز آن است.
یکی از مدارهای کاربردی که در طراحی بسیاری از مدارهای ترکیبی دیگر استفاده میشود مالتی پلکسر است. مالتی پلکسر مداریست که به عنوان انتخاب کننده داده شناخته میشود که مشخص میکند کدام یک از دادههای دیجیتال - تعداد دادههای دیجیتال توانی از 2 بوده و حداقل دو عدد هستند - از بین چندین داده ورودی به خط خروجی منتقل شوند. پس میتوان گفت مالتی پلکسر مشابه یک کنترل کننده دیجیتالی که چندین موقعیت دارد عمل میکند.
اهمیت مدار مالتی پلکسر به دلیل استفاده در بیشتر زمینههای مهندسی است و متعاقبأ کاهش سطح و پیچیدگی مدار آن مهم است. از جمله کاربردهای آن میتوان به موارد زیر اشاره کرد که علاوه بر کاربرد معمول، از ترکیب یک گیت معکوس کننده و مالتی پلکسر میتوان به منظور پیاده سازی گیتهای متنوع استفاده کرد. - Momataj,2014 - ، - - Boda,2015 همچنین از مالتی پلکسرها به منظور پیاده سازی Latch ها نیز استفاده میشود که وظیفه آنها نگهداری یک مقدار 0 یا 1 است. - Robaey,2002 - بدین منظور و در راستای بهبود روند کوچک شدن ترانزیستورها در این مقاله مدار یک مالتی پلکسر با استفاده از ترانزیستورهای نانولولهکربنی بهینهسازی و ارائه شده است. این مدار از نظر توان مصرفی از مدار مشابه CMOS خود در وضعیت مطلوب تری قرار دارد.
در بخش دوم این مقاله مروری بر مدارهای مالتی پلکسر ارائه شده انجام گرفته است. در بخش سوم مدار پیشنهادی با استفاده از ترانزیستورهای نانولولهکربنی در تکنولوژی 32 نانومتر دانشگاه استنفورد در شبیه ساز Hspice پیاده سازی شده و مقایسهای بین مدار مالتی پلکسر با ساختار CMOS مشابه و ترانزیستورهای نانولولهکربنی انجام شده است که نشان میدهد مدار مالتی پلکسر با ساختار CNTFET کارآیی بهتر و سرعت مطلوب تری دارد و این در حالیست که در تکنولوژی 32 نانومتر CMOS مالتی پلکسر پاسخ معقولی ندارد و در واقع همانطور که اشاره شد با توجه به اثرات کوچک شدن تکنولوژی، این مدار پاسخ نمیدهد. در همین بخش نتایج مربوط به مقایسه مالتی پلکسر پیشنهادی با موارد قبلی ارائه شده است.
بررسی کارهای گذشته در راستای طرح پیشنهادی، مدارات مختلف ارائه شده در این زمینه در سالهای اخیر مورد بررسی قرار گرفتهاند. در ادامه اشارهای خواهیم داشت به طرحهای پیشنهادی در سالهای اخیر. ساختار یک مالتی پلکسر سنتی با 2 ورودی را در شکل 1 ملاحظه میکنید. هر مالتی پلکسر 2n ورودی دارد و n خط انتخاب که مشخص میکند خروجی معادل کدامیک از ورودیها شوند.
به عنوان مثال Y= X - 0 - میشود اگر خط انتخاب S=0 باشد . پس خروجی معادل ورودی n ام یعنی X - n - است. یعنی عدد باینری که خطوط انتخاب نشان میدهند مشخص میکند Y مساوی چندمین ورودی باشد. رابطهای برای مالتی پلکسر سنتی وجود دارد که در آن متغیر خروجی Y براساس ورودیها و خطوط انتخاب به دست میآید، که در رابطه 1 آن را ملاحظه میکنید. خط انتخاب در این حالت S است. همین رابطه با تعمیم به 4 ورودی، 8 ورودی و... نیز میتواند نوشته شود. با افزایش تعداد ورودی تعداد خطوط انتخاب نیز افزایش خواهند یافت.
شکل :1ساختار مالتی پلسکر سنتی.
شکل :2الف - ساختار گیت انتقال. ب - ساختار یک مالتی پلکسر با دو ورودی با استفاده از گیت انتقال.
یکی از بهترین و ایدهآل ترین حالات برای پیادهسازی مدارات مجتمع استفاده از گیت انتقال است که آن را، منطق گیت انتقالُ مینامند. به این منظور سورس و درین دو ترانزیستور Pmos و Nmos به یکدیگر وصل میشوند تا بتوان از طریق این دو ترانزیستور به ترتیب منطق 1 و 0 دیجیتال را به صورت ایدهآل به خروجی مدار منتقل کرد به گونهای که مشکل افت ولتاژ یا اضافه جهش نداشته باشد. ساختار گیت انتقال در واقع یک سوئیچ با مقاومت و ظرفیت خازنی کم است. این ساختار در شکل 2 - الف - و همچنین ساختار یک مالتی پلکسر با 2 ورودی با استفاده از گیت انتقال نیز در شکل 2 - ب - نشان داده شده است
