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基于量子元胞自动机的5输入择多门设计与应用

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计算机辅助设计与图形学学报 2023年第9期35卷 1450-1456页

作者：闫爱斌曹傲然刘润祺黄正峰安徽大学计算机科学与技术学院合肥230601 合肥工业大学微电子学院合肥230000

随着量子元胞自动机(quantum-dot cellular automata,QCA)电路复杂度不断上升,传统的3输入择多门逐渐无法满足现有的需求.为了在减少QCA电路的逻辑深度的同时降低开销,提出一种5输入择多门以实现高效的单层QCA电路.首先将输入元胞进行... 详细信息

随着量子元胞自动机(quantum-dot cellular automata,QCA)电路复杂度不断上升,传统的3输入择多门逐渐无法满足现有的需求.为了在减少QCA电路的逻辑深度的同时降低开销,提出一种5输入择多门以实现高效的单层QCA电路.首先将输入元胞进行分散排列,通过中间元胞相连,保证5输入择多门的逻辑正确性;然后根据元胞电子间库仑作用力确定输出元胞的位置,构造出一种低功耗的5输入择多门;最后基于所提出的择多门设计一种D触发器,其具有低复杂度和低开销等特点.采用QCADesigner和QCADesigner-E工具对所提设计的功能、性能和功耗进行评估,结果表明,与现有的结构相比,所提出的5输入择多门不仅总功耗平均减少约57%,而且实现了高极化的输出;所提出的触发器总功耗减少约78%,复杂性、面积和延迟分别降低约35%,28%和28%.

关键词：量子元胞自动机单层电路 5输入择多门 D触发器

量子元胞自动机电路自动布局布线算法的研究与设计

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量子元胞自动机电路自动布局布线算法的研究与设计

作者：李杨帅合肥工业大学

学位级别：硕士

随着传统CMOS器件特征尺寸的不断缩小带来的短沟道效应和量子隧穿,使得以CMOS为核心的集成电路设计趋于物理极限,发展了半个世纪的摩尔定律即将失效。量子元胞自动机(Quantum-dot cellular automata,QCA)是一种全新的纳米器件,它具有极... 详细信息

随着传统CMOS器件特征尺寸的不断缩小带来的短沟道效应和量子隧穿,使得以CMOS为核心的集成电路设计趋于物理极限,发展了半个世纪的摩尔定律即将失效。量子元胞自动机(Quantum-dot cellular automata,QCA)是一种全新的纳米器件,它具有极低的功耗、更快的开关转换速度,是CMOS技术之后极具潜力的纳米级器件的候选者之一。近年来,随着研究人员已经在QCA电路设计上取得了不错的进展,但是随着电路设计复杂化,电路规模扩大化,针对QCA电路设计的自动化算法成为近几年的研究重点,但是QCA电路时钟不同于传统CMOS的时钟设计,因此该部分一直是研究的难题并且至今仍处于研究的初级阶段。直到2016年USE二维时钟方案提出后,正式开启了QCA电路自动化布局布线的大门。本文首先介绍了近十年QCA电路布局布线算法的发展历程,从一维时钟方案到二维时钟方案的发展综述,然后分析了近五年来国外两个最先进的研发团队fiction和Ropper提出的主流算法方案和算法框架的优缺点,最后提出了本文针对布局布线问题的解决思路和解决方案。其中,本文的主要工作分为两大部分,第一部分提出了一种布局和布线的两层组合优化算法框架,实现了Verilog硬件电路到二维时钟方案上QCA电路门级的自动化布局布线工作;第二部分基于QCA元胞级电路设计规则,提出了四条重要的DRC(Design rule checking,DRC)设计规则,并分别应用到布局和布线算法中,实现了门级电路到元胞级布局的正确映射。在第一部分中,本文将二维时钟方案上的布局和布线问题抽象成组合优化问题和最短路径搜索问题,分别采用了遗传算法和A*算法用C++编程语言进行编程实现。实验结果表明,本算法在目前被广泛应用的二维时钟方案USE上的布局成功率接近100%;相较当前世界上最先进的布局布线工具fiction和Ropper,本算法可适用电路规模更大(逻辑门数量大于10),在成功率和生成布局面积上都有大幅度的优化。在第二部分中,提出了四种重要的DRC设计规则检查,包括:电路单元的输入输出设计规则、逻辑门与走线设计规则、电路整体布局分布规则、以及最重要的消除交叉线规则。分别将四种DRC注入到布局和布线算法中,成功实现了门级电路到元胞级电路的映射工作,并且电路仿真结果也通过了QCADesigner手工布线仿真工具的验证。

关键词：量子元胞自动机自动布局布线遗传算法 A*寻路算法设计规则检查

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量子元胞自动机可逆加法器电路

西安电子科技大学学报 2017年第2期44卷 133-139页

作者：秦涛蔡理杨晓阔空军工程大学理学院陕西西安710051

可逆逻辑的极低能耗特征使其在低功耗电路、量子计算机等领域具有重要的应用价值.设计了一种新型的三变量可逆逻辑门,可以完成择多计算、异或和同或计算功能.运用量子元胞自动机器件实现了该新型可逆逻辑门,设计了基于量子元胞自动机的... 详细信息

可逆逻辑的极低能耗特征使其在低功耗电路、量子计算机等领域具有重要的应用价值.设计了一种新型的三变量可逆逻辑门,可以完成择多计算、异或和同或计算功能.运用量子元胞自动机器件实现了该新型可逆逻辑门,设计了基于量子元胞自动机的可逆加法器电路.仿真结果表明,新设计的可逆逻辑门和加法器电路具有正确的功能.同时,采用新型可逆逻辑门设计的可逆加法器垃圾位及需要门数均减少了.

关键词：可逆逻辑量子元胞自动机加法器择多逻辑门

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量子元胞自动机全加器的性能分析与设计

电子学报 2018年第7期46卷 1774-1780页

作者：孙梦博吕洪君张永强解光军合肥工业大学电子科学与应用物理学院安徽合肥230009

作为一种新型的纳米器件,量子元胞自动机(Quantum-dot cellular automata,QCA)有望取代传统CMOS器件.本文总结了目前已提出的三种全加器(Full Adder,FA)架构,通过概率转移矩阵(Probabilistic Transfer Matrix,PTM)分析找出其中最稳定的... 详细信息

作为一种新型的纳米器件,量子元胞自动机(Quantum-dot cellular automata,QCA)有望取代传统CMOS器件.本文总结了目前已提出的三种全加器(Full Adder,FA)架构,通过概率转移矩阵(Probabilistic Transfer Matrix,PTM)分析找出其中最稳定的架构,进一步地,利用这三种全加器分别构建串行加法器,并从复杂度、不可逆功耗、成本等方面进行比较,结果发现性能最优的全加器架构为MR Azghadi FA.随后,选择该架构提出了一种针对全加器的新型逻辑门和共面QCA全加器电路,并应用此全加器设计了多位串行加法器,经对比分析表明,本文所提出的全加器电路在面积、元胞数和功耗等方面均有较大改进,且具有很好的扩展性.

关键词：量子元胞自动机全加器可靠性概率转移矩阵

量子元胞自动机共面五输入择多门结构的分析与设计

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电子学报 2020年第5期48卷 861-869页

作者：邓飞飞解光军王晓旸程心张永强合肥工业大学电子科学与应用物理学院安徽合肥230009

量子元胞自动机(Quantum-dot Cellular Automata,QCA)是一种具有新型计算范式的纳米器件,它是未来有望替代传统CMOS器件的有力竞争者之一.本文首先从QCA器件的功耗角度出发,对影响半径为41nm的QCA共面系统中元胞的耦合度进行建模,根据... 详细信息

量子元胞自动机(Quantum-dot Cellular Automata,QCA)是一种具有新型计算范式的纳米器件,它是未来有望替代传统CMOS器件的有力竞争者之一.本文首先从QCA器件的功耗角度出发,对影响半径为41nm的QCA共面系统中元胞的耦合度进行建模,根据元胞之间的位置关系构造QCA门结构模型,据此对现有的共面五输入择多门进行分类,通过性能分析总结其结构特点,以此设计出一个新的低功耗五输入择多门,测试结果表明该结构功耗最低且其他性能也相对较优.另外,为验证所提出五输入择多门在电路中的性能,本文选择MR Azghadi全加器设计了一款共面QCA全加器,与同类加法器相比性能也最优.

关键词：量子元胞自动机五输入择多门功耗模型全加器

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量子元胞自动机全加器的布尔差分测试法

微电子学 2010年第2期40卷 287-290页

作者：张南生蔡理冯朝文空军工程大学理学院西安710051

根据布尔差分测试法的基本原理以及量子元胞自动机(QCA)的缺陷特性,提出一种适用于QCA的测试方法。以QCA 1位全加器为例,采用QCA Designer软件,验证该方法的有效性与可行性,并与Tahoori等人提出的QCA电路测试法进行比较。结果表明,新设... 详细信息

根据布尔差分测试法的基本原理以及量子元胞自动机(QCA)的缺陷特性,提出一种适用于QCA的测试方法。以QCA 1位全加器为例,采用QCA Designer软件,验证该方法的有效性与可行性,并与Tahoori等人提出的QCA电路测试法进行比较。结果表明,新设计的布尔差分测试法具有高故障覆盖率和易测性等优点,对未来复杂QCA电路的测试有一定的借鉴作用。

关键词：量子元胞自动机固定故障模型布尔差分测试法故障检测

量子元胞自动机电路自动布局布线算法的研究与设计

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量子元胞自动机电路自动布局布线算法的研究与设计

作者：邝锐合肥工业大学

学位级别：硕士

随着科学技术和制造工艺的不断发展进步,CMOS技术器件的特征尺寸也越来越逼近物理极限,给电路带来如短沟道效应、互连延时及寄生效应、功耗高等问题。这些问题严重制约着集成电路的进一步发展。因此,研究人员开始转向研究新型纳米技术... 详细信息

随着科学技术和制造工艺的不断发展进步,CMOS技术器件的特征尺寸也越来越逼近物理极限,给电路带来如短沟道效应、互连延时及寄生效应、功耗高等问题。这些问题严重制约着集成电路的进一步发展。因此,研究人员开始转向研究新型纳米技术器件以期替代传统CMOS器件。20世纪90年代提出了量子元胞自动机（Quantum-dot cellular automata,QCA）,具有运算速度极快、集成度高和低功耗等优良性能而被认为一种极具研究发展潜力的纳米器件。QCA电路的自动布局布线是自动化设计的关键步骤,目前在理论和算法实现上还存在诸多不足,限制了自动化设计工具的开发。为了克服当前问题,第一,本文分析了QCA电路布局布线的相关概念和算法设计时必须考虑的重点技术问题,如时钟约束、时钟同步性约束和线路交叉等。第二,总结算法设计的一般性流程,分析各流程完成的工作以指导算法的设计。第三,本文对QCA电路布局布线问题的进行建模,明确了算法的输入和各约束条件的数学表示。然后,本文设计并使用C++编程语言实现了基于电路分级和基于遗传算法的两种不同的布局布线算法方案。电路分级算法是图论知识的应用,遗传算法则是启发式搜索策略。本文详细分析了电路分级和遗传算法布局布线方案的基本原理、路径计算算法、节点放置与路由和结果输出等内容。两种算法均实现QCA电路的自动布局布线,并且由用户选择时钟方案输出满足相关约束条件的门级布局。最后,比较分析了两种算法在布局布线时的优缺点。

关键词：量子元胞自动机自动布局布线电路分级算法遗传算法

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基于量子元胞自动机的奇偶校验系统分块设计

固体电子学研究与进展 2010年第4期30卷 489-494,527页

作者：杨晓阔蔡理黄宏图空军工程大学理学院西安710051

量子元胞自动机(QCA)是一种纳米范围内不含晶体管的计算范例。基于QCA提出了QCA奇偶校验系统电路的分块设计方法。首先设计了异或门、奇偶判断单元,再运用分块设计思想构建了奇数产生电路和奇偶校验电路的结构,所设计的电路拥有尺寸极... 详细信息

量子元胞自动机(QCA)是一种纳米范围内不含晶体管的计算范例。基于QCA提出了QCA奇偶校验系统电路的分块设计方法。首先设计了异或门、奇偶判断单元,再运用分块设计思想构建了奇数产生电路和奇偶校验电路的结构,所设计的电路拥有尺寸极小和功耗极低等优点,QCADesigner软件仿真结果验证了设计的有效性。

关键词：量子元胞自动机异或门分块设计奇偶校验系统

忆阻器和量子元胞自动机纳电子超混沌系统的函数投影同步研究

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空军工程大学学报（自然科学版） 2018年第4期19卷 99-104页

作者：仇睿煌蔡理冯朝文杨晓阔空军工程大学基础部西安710051

研究了忆阻超混沌系统与量子细胞神经网络的函数投影同步问题。通过对2个超混沌系统的理论分析,设计了同步控制器,实现了异结构超混沌系统的函数投影同步,并运用Lyapunov原理进行了稳定性证明。同时,进一步理论推导了量子细胞神经网络... 详细信息

研究了忆阻超混沌系统与量子细胞神经网络的函数投影同步问题。通过对2个超混沌系统的理论分析,设计了同步控制器,实现了异结构超混沌系统的函数投影同步,并运用Lyapunov原理进行了稳定性证明。同时,进一步理论推导了量子细胞神经网络中不确定参数的系数向量线性无关性,实现了对不确定参数的估计。仿真结果表明2个超混沌系统的函数投影同步取得了良好的效果,系统的不确定参数也逐渐回归到理想值。文中的研究结果为纳电子混沌系统在保密通信中的应用提供了一定的理论指导。

关键词：忆阻器量子元胞自动机超混沌系统函数投影同步