數(shù)值比較器與存儲器

1、用量子元胞搭建的數(shù)值比較器與存儲器摘要：簡述了量子元胞自動機（QCA）實現(xiàn)邏輯電路的方法，并以量子元胞搭建出可用作基礎結構單位的數(shù)值比較器和存儲器，為做出有實用價值的數(shù)值比較器和存儲器提供了一種 新方法，即：以低位的數(shù)值比較器和存儲器為基本元器件搭建大規(guī)模的數(shù)值比較器和存儲器。關鍵詞：量子元胞自動機 數(shù)值比較器 存儲器 元器件引言：微電子器件的集成度和運算速度已持續(xù)呈指數(shù)級增長近40年，保持這種快速的 增長各方面需要有效的改進。但當電子器件的尺寸達到0.07 m時，由于功率耗散和相互連 接等問題使得基于半導體技術的器件尺寸難以減小。事實上，研究表明，晶體管的尺寸將達 到它的物理極限。為了能夠解

2、決傳統(tǒng)集成電路的局限性問題，很多人都在尋找新的方法來搭 建集成電路。終于LENT等人提出了一種可能取代傳統(tǒng)集成電路的方法量子元胞自動機。它 可以解決集成電路在繼續(xù)發(fā)展過程中產(chǎn)生的尺寸問題。QCA是由量子點和隧道結按一定的 結構組合而成，量子點之間通過其中包含的電子相互作用而連接，它不再是利用電壓或電 流來表示信息，而是通過電子占據(jù)的量子點的位置來表征二進制信息。另外，它通過庫侖力 相互作用與相鄰的細胞進行連接，可以做到無引線集成，具有超高集成密度和超低功耗等 優(yōu)點QCA細胞是納米結構尺度的，能朝著分子級方向發(fā)展，基于QCA細胞的存儲器能很容 易具有超高集成密度和超低功耗等特點，會在將來的大規(guī)模

3、、高集成度數(shù)字電路中有廣泛 的應用前景。量子元胞自動機：圖所示為四個單電子隧道結（帶橫線的方框符號）構成的環(huán)，其角上是四 個量子點（空心圓圈），若再包含另外的兩個電子就構成了一個QCA細胞，如圖所示，電 子能夠通過隧道結在細胞內(nèi)的量子點間隧穿。由于庫侖排斥力作用，兩個電子易于占據(jù)對角 線上的量子點，因此，單個細胞具有兩個完全極化狀態(tài)，這就是QCA細胞的雙穩(wěn)態(tài) 特性一般用圖中的符號表示單個細胞的這兩個狀態(tài)。0OO&O6Jd66四個隧道結構成的環(huán)（員包含兩個電F的QUA細胞圖1隧道結環(huán)實現(xiàn)的量子細胞自動機（QCA）細胞(a) P-+1(h) P=-l圖2 QCA細胞的兩個極化態(tài)符號這樣我們就能夠使

4、用QCA線來傳遞信息。同時我們還可以用QCA元胞搭建出一些基礎的門電路:InputOutput反相器的數(shù)字邏輯電路圖與QCA電路圖同時，我們還可以使用多數(shù)門（M）搭建出與門和或門，從而可以對它們進行組合，完成更 復雜的電路搭建。Input AOutput DDevice cellInput C多數(shù)門的QCA電路圖QCA搭建的與門QCA搭建的或門有了基本的傳輸線和門電路，就可以構建一些簡單的邏輯電路，但在較大規(guī)模的電路搭建時還是力不從心，因為傳統(tǒng)電路中總是存在線路交叉的情況，QCA中解決方法是異面 交聯(lián)一不把QCA元胞布在同一層面中。如下圖：但是這種旋轉元胞的共面交聯(lián)在QCA電路設計中并不是很穩(wěn)

5、定的，當其單獨作 為一個電路在QCADesigner中仿真時，證明是真確無誤的。但當電路很繁瑣時， 若將該電路作為復雜電路中的一個單元來使用時，常常會受電路的影響而出錯， 這也是急需解決的問題。數(shù)值比較器的設計YA = AB數(shù)值比較器是用來判斷兩個數(shù)數(shù)值婦、或相等的。1位數(shù)值比較器的邏輯表達式為：房YB =1其中A, B為兩個=0 ), A=B , AB （如：A =1 , B日fin的3個輸出結果。QCA 一位數(shù)值比較器邏輯圖根據(jù)原理圖，我先搭建出了一位的QCA元胞圖：丁2JM-F:!F!TljJF!一 vk-k-k-fk-wk-k-k-f小-仿真結果正確無誤。 比較器。用一位構建 優(yōu)先級的

6、確定工作。又搭建了三位的數(shù)值 用或門完全可以完成A,B各為三位數(shù)，YA1分別表示A中最高位大于B中最高位。YB1表示B中最高位大于A 中最高位，同理可推YA2,YA3,YB2,YB3。最后輸出為YA0,YB0,YE0。在此圖的仿真過程中 由于元胞數(shù)過多，時鐘安排可能不夠合理，仿真軟件可能有問題，并未成功，但原理是完全 正確的。存儲器的設計存儲器是用來存儲程序和數(shù)據(jù)的部件，有了存儲器，計算機才有記憶功能，才能保證正常 工作。按用途存儲器可分為主存儲器（因存）和輔助存儲器（處在），也有分為外部存儲器 和內(nèi)部存儲器的分類方法。外存通常是磁性介質(zhì)或光盤等，能長期保存信息。內(nèi)存指主板 上的存儲部件，用來

7、存放當前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)和程序，但僅用于暫時存放程序和數(shù)據(jù)，關閉 電源或斷電，數(shù)據(jù)就會丟失。簡單的一位存儲單元就是一個與門：其中A作為選通信號輸入，B作為存儲數(shù)值，C作為輸出，當A被選通，C就會輸出B中的值，完成存儲功能。但此存儲器只具有讀功能，寫功能還沒有完善，個人認為QCA只讀存儲器的寫功能從異面感應著手也是方法之一。上述單元用來單值的存儲較方便，但若用來構建較長 數(shù)值的存儲就需要太多的選通線，在試驗和仿真時都 有太多的麻煩，所以我們可以擴大存儲容量。如右圖： 右圖就是四位存儲器，通過選通信號，每次可以輸出 4位二進制數(shù)值。如果還是長度不夠，我們可以繼續(xù) 擴展容量，直到驅(qū)動受驅(qū)動能力限制。同

8、樣，右圖也 只是一個基礎單元，可以進行堆積擴展。右圖經(jīng)過仿 真，結果完全正確。可以很好的輸出存儲值，但要注 意輸出結果落后選通信號一個時鐘周期。在此基礎上，我又搭建了一個4X4的只讀存儲器，如下圖:該存儲器的仿真我并沒有做出來，盡管原理沒有出錯，但可能因為經(jīng)驗有限，存在各種各樣 的問題，望大家指正。結束語：由于QCA細胞的雙穩(wěn)態(tài)特性，它特別適用于數(shù)字電路。文中基于QCA的雙穩(wěn)態(tài)特性和傳 統(tǒng)的CMOS工藝設計了數(shù)值比較器和一個4X 4bit的只讀存儲器，。二者的設計都是從基 礎開始做，設計出底層最基本的單元作為元器件，再設計較大的電路。即提供了數(shù)值比較器 的奇位搭建方法，也提供了存儲密度大的存儲

9、器搭建方法。參考文獻：王森，蔡理，郭律，基于量子元胞自動機的全加器實現(xiàn)J固體電子學研究 與進展 2005/2/25:1000-3819(2005)02-148-04.王森，蔡理，吳剛，基于量子元胞自動機的只讀存儲器設計J微電子學與 計算機 2007/24/11:1000-7180(2007)11-0046-03.王森，蔡理，蘇發(fā)院，基于量子元胞自動機的設計方法J.納米器件與技術2007/4 1671- 4776 (2007) 04-0170-05.王森，蔡理，李芹，吳剛，一種基于量子元胞自動機的三維量子細胞神經(jīng)網(wǎng) 絡J量子電子學報 2008/5/25： 1007-5461(2008)05-05

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