基于QCA的數字邏輯電路設計研究.pdf

1、在過去的半個多世紀里，集成電路技術遵循著Moore定律取得了驚人的進展，而縮小器件特征尺寸是提高芯片集成度和性能的主要途徑。但隨著特征尺寸的不斷縮小，以CMOS技術為主導的集成電路發(fā)展遇到了前所未有的挑戰(zhàn)，特別是低功耗設計及互連線問題。當器件的特征尺寸進入納米級，量子效應將逐漸占據主導地位并可能使器件失效，從而使特征尺寸的縮小達到其物理極限。有鑒于此，近年來一方面科研人員從理論上、材料上和工藝上加以修正，以延續(xù)Moore定律引領的CMO

2、S技術的生命；另一方面提出了各種可能的替代MOS器件的新型納米電子器件，以發(fā)展新一代集成電路技術。其中的量子細胞自動機(Quantum-DotCellular Automata，QCA)，因其提供了一種全新的信息存儲和計算方式，由其組成的數字邏輯電路與CMOS相比具有功耗更低、集成度更高和速度更快等固有特點，被認為是新一代的納電子器件強有力的競爭者。
　　 在介紹QCA原理及QCA數字邏輯電路設計和仿真方法的基礎上，本文聚焦于Q

3、CA通用邏輯門、通用閾值邏輯門、雙邊沿觸發(fā)器以及三值QCA邏輯電路的設計和仿真。具體工作和創(chuàng)新之處如下：
　　 1、QCA通用邏輯門和通用閾值邏輯門的設計和應用。提出了基于模塊化技術的QCA通用邏輯門ULG2，并應用該ULG2設計了全加/全減器、全比較器和4選1數據選擇器。與已有的QCA通用邏輯門及其應用電路相比，在細胞數、QCA信號線交叉數等方面電路的性能均有較大的改善。隨后提出了QCA通用邏輯門ULG3和三變量通用閾值邏輯門

4、UTLG，并分別提出了基于QCA通用邏輯門ULG3和三變量通用閾值邏輯門UTLG的任意三變量邏輯函數的查表綜合。利用所提出的ULG3和UTLG可實現3變量全部256個邏輯函數。所設計的電路經QCADesigner軟件仿真，驗證了其邏輯功能的正確性。
　　 2、QCA雙邊沿觸發(fā)器的設計。觸發(fā)器是數字系統(tǒng)的關鍵部件，但相對QCA門電路及組合邏輯電路的研究而言，QCA觸發(fā)器及時序邏輯電路的研究還很不充分，尤其是高性能的觸發(fā)器及其應用電

5、路。本文提出了兩種基于QCA的新型高性能觸發(fā)器--雙邊沿D觸發(fā)器和雙邊沿JK觸發(fā)器。通過OCADesigner仿真，結果表明所設計的兩種雙邊沿觸發(fā)器均具有正確的邏輯功能。若保持原有的時鐘頻率不變，所提出的雙邊沿觸發(fā)器比相應的QCA單邊沿觸發(fā)器處理數據的速度將提高一倍，從而為設計高性能數字電路和系統(tǒng)提供了堅實的基礎。
　　 3、三值QCA(tQCA)基本邏輯電路的Matlab仿真。現行計算機系統(tǒng)采用二值邏輯電路，主要受限于電路元件

6、只有開關兩種狀態(tài)的技術條件限制。其實多值邏輯電路(MVI)由于信號線能傳輸多值信號，可攜帶比二值信號更多的信息量，從而有效地提高電路的信息密度，減少互連線，提高系統(tǒng)工作速度。在介紹tQCA細胞的基礎上，循著二值QCA邏輯電路的研究思路，提出了基于Matlab的tQCA基本邏輯電路的半經典模型的仿真算法。隨后分別對tQCA信號線、非門和多數門進行了編程仿真。結果表明，三值QCA邏輯電路并不是二值QCA邏輯電路的簡單推廣，其電路設計理論和設