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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。为了能够解
2、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洱量子元胞自动机。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oQCA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和超低功耗等特点，会在将来的大规
3、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。0OO&O6Jd66口】四个践迫结构成的环（时包含两个电T的QCA细胞图1隧道结环实现的量子细.胞自动机（QCA）細胞(a) P-+1(h) P=-l图2 QCA细胞的网个极化态符号这样我们
4、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:Input1OOOOOO0O00OO00O0OOO0O0OO0OO反相器的数字逻辑电路图与QCA电路图同时，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。Input BDevice cellOO*OO00ZOCInput AOutput DInput CQCA搭建的或门. 00 - OoeO Oo oGa o do o oo多数门的QCA电路图QCA搭建的与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
5、存在线路交叉的情况，QCA中解决方法是异面交联一不把QCA元胞布在同一层面中。如下图:1|TNMM11：-: 1: HI:IK11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：_YA =月占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YB = AS其中A, B为两个=0 ), A=B , AvBA 1位二进制数输入YE
6、和 YB分别表示AB （如：A =1 , B的3个输出结果。J finQCA 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：:2J.:.I=HI!.:II-9k-k-ilf-匸-。|疔Ifr一RrOO仿真结果正确无误。 比较器。用一位构建 优先级的确定工作。又搭建了三位的数值 用或门完全可以完成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YAO,YBO,YEO。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
7、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（处存），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： Ooeo o oo c - o o oao o oo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
8、 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
9、 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的双稳态特性和传 统的CMOS工艺设计了数值比较器和一个4X 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
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