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1、 用量子元胞搭建的数值比较器与存储器摘要：简述了量子元胞自动机（QCA）实现逻辑电路的方法，并以量子元胞搭建出可用作基础结构单位的数值比较器和存储器，为做出有实用价值的数值比较器和存储器提供了一种新方法，即：以低位的数值比较器和存储器为基本元器件搭建大规模的数值比较器和存储器。关键词：量子元胞自动机 数值比较器 存储器 元器件引言： 微电子器件的集成度和运算速度已持续呈指数级增长近 40 年, 保持这种快速的增长各方面需要有效的改进。但当电子器件的尺寸达到 0.07 m 时, 由于功率耗散和相互连接等问题使得基于半导体技术的器件尺寸难以减小。事实上, 研究表明, 晶体管的尺寸将达到它的物理极限
2、。为了能够解决传统集成电路的局限性问题，很多人都在寻找新的方法来搭建集成电路。终于 LENT 等人提出了一种可能取代传统集成电路的方法-量子元胞自动机。它可以解决集成电路在继续发展过程中产生的尺寸问题。 QCA 是由量子点和隧道结按一定的结构组合而成, 量子点之间通过其中包含的电子相互作用而连接, 它不再是利用电压或电流来表示信息, 而是通过电子占据的量子点的位置来表征二进制信息。另外, 它通过库仑力相互作用与相邻的细胞进行连接, 可以做到无引线集成, 具有超高集成密度和超低功耗等优点。QCA 细胞是纳米结构尺度的, 能朝着分子级方向发展 , 基于 QCA 细胞的存储器能很容易具有超高集成密度
3、和超低功耗等特点, 会在将来的大规模、 高集成度数字电路中有广泛的应用前景。量子元胞自动机：图所示为四个单电子隧道结(带横线的方框符号) 构成的环, 其角上是四个量子点( 空心圆圈) , 若再包含另外的两个电子就构成了一个 QCA 细胞, 如图所示, 电子能够通过隧道结在细胞内的量子点间隧穿。由于库仑排斥力作用, 两个电子易于占据对角线上的量子点, 因此, 单个细胞具有两个完全极化状态, 这就是 QCA 细胞的双稳态特性一般用图中的符号表示单个细胞的这两个状态。 这样我们就能够使用 QCA 线来传递信息。同时我们还可以用 QCA 元胞搭建出一些基础的门电路：反相器的数字逻辑电路图与 QCA 电
4、路图同时，我们还可以使用多数门（M) 搭建出与门和或门，从而可以对它们进行组合，完成更复杂的电路搭建。多数门的 QCA 电路图Input1 0Output100Output DInput BDevice cellInput A Input C QCA 搭建的与门 QCA 搭建的或门有了基本的传输线和门电路，就可以构建一些简单的逻辑电路，但在较大规模的电路搭建时还是力不从心，因为传统电路中总是存在线路交叉的情况，QCA 中解决方法是异面交联不把 QCA 元胞布在同一层面中。如下图：但是这种旋转元胞的共面交联在 QCA 电路设计中并不是很稳定的，当其单独作为一个电路在 QCADesigner 中仿
5、真时，证明是真确无误的。但当电路很繁琐时，若将该电路作为复杂电路中的一个单元来使用时，常常会受电路的影响而出错，这也是急需解决的问题。数值比较器的设计：数值比较器是用来判断两个数数值大小或相等的器件，是重要的数字逻辑部件之一。1 位数值比较器的逻辑表达式为：其中 A，B 为两个 1 位二进制数输入信号，YA ，YE 和 YB 分别表示 AB (如：A =1 ，B =0 )，A=B ，AB 的 3 个输出结果。QCA 一位数值比较器逻辑图根据原理图，我先搭建出了一位的 QCA 元胞图：0 011上图为本人做的一位数值比较器，其比夏银水 裘科名两位老师所做的一位数值比较器所用元胞少，搭建更简单，仿
6、真更易实现。下图为其仿真结果图：仿真结果正确无误。在老师的指导下，我以一位数值比较器为元器件，又搭建了三位的数值比较器。用一位构建三位时，我们需要注意的是高位优先的问题。所幸用或门完全可以完成优先级的确定工作。A,B 各为三位数，YA1 分别表示 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。最后输出为 YA0,YB0,YE0。在此图的仿真过程中由于元胞数过多，时钟安排可能不够合理，仿真软件可能有问题，并未成功，但原理是完全正确的。存储器的设计：存储器是用来存 储 程 序 和数据的部件，有了存储器，计算机才有记忆功能，才能
7、保证正常工作。按用途存储器可分为主存储器（内 存 ）和辅助存储器（外 存 ）,也有分为外部存储器和内 部 存 储 器 的分类方法。外存通常是磁性介质或光 盘 等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据就会丢失。简单的一位存储单元就是一个与门：其中 A 作为选通信号输入， B 作为存储数值，C 作为输出，当 A 被选通，C 就会输出 B 中的值，完成存储功能。但此存储器只具有读功能，写功能还没有完善，个人认为 QCA 只读存储器的写功能从异面感应着手也是方法之一。上述单元用来单值的存储较方便，但若用来构建较长数值
8、的存储就需要太多的选通线，在试验和仿真时都有太多的麻烦，所以我们可以扩大存储容量。如右图：右图就是四位存储器，通过选通信号，每次可以输出4 位二进制数值。如果还是长度不够，我们可以继续扩展容量，直到驱动受驱动能力限制。同样，右图也只是一个基础单元，可以进行堆积扩展。右图经过仿真，结果完全正确。可以很好的输出存储值，但要注意输出结果落后选通信号一个时钟周期。在此基础上，我又搭建了一个 4X4 的只读存储器，如下图：该存储器的仿真我并没有做出来，尽管原理没有出错，但可能因为经验有限，存在各种各样的问题，望大家指正。结束语：由于 QCA 细胞的双稳态特性, 它特别适用于数字电路。文中基于 QCA 的
9、双稳态特性和传统的 CMOS 工艺设计了数值比较器和一个 4 4bit 的只读存储器,。二者的设计都是从基础开始做，设计出底层最基本的单元作为元器件，再设计较大的电路。即提供了数值比较器的奇位搭建方法，也提供了存储密度大的存储器搭建方法。参考文献：1 王森，蔡理，郭律，基于量子元胞自动机的全加器实现J 固体电子学研究与进展 2005/2/25:1000-3819(2005)02-148-04.2 王森，蔡理，吴刚，基于量子元胞自动机的只读存储器设计J 微电子学与计算机 2007/24/11:1000-7180(2007)11-0046-03.3 王森，蔡理，苏发院，基于量子元胞自动机的设计方法
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