三维量子元胞自动机加法器

摘要

本发明公开了一种三维量子元胞自动机加法器，包括七条量子元胞自动机连线、一个二维择多逻辑门、一个二层三维择多逻辑门、一个三层三维择多逻辑门、第一至第四三维反相器、第一二维反相器和第二二维反相器，与传统的二维量子元胞自动机加法器相比，三维量子元胞自动机加法器提供了额外一维的计算空间，因而需要更少的元胞，同时大幅减少了电路的面积和功耗。本发明是一种新型的三维低功耗小面积的量子元胞自动机加法器。

说明书

技术领域

本发明涉及基于量子元胞自动机电路设计领域，尤其涉及一种三维量子元胞自动机加法 器。

背景技术

集成电路正在经历一个从微电子时代到纳电子时代的转变。随着互补金属氧化物半导体 (CMOS)器件的特征尺寸缩小到20纳米以内，CMOS技术很快将达到其物理极限。由于CMOS器 件难以解决由于尺寸缩小带来的量子效应以及越来越严重的散热和功耗问题，基于CMOS技术 的集成电路发展将遭遇瓶颈,并且这些困难和问题很难通过改进现有的工艺和技术来根本解 决。根据国际半导体技术路标报告(ITRS)，最快到2018年当CMOS的特征尺寸达到15nm的 时候，CMOS工艺将难以延续摩尔定律。为了使得集成电路能够进一步缩小功耗，提高集成度， 必须研究新的革命性的器件。作为一种新兴的纳米电子器件，量子元胞自动机(Quantum-dot  Cellular Automata，QCA)技术具有运行速度快，集成度高和超低功耗的特点，因此一直被 国际半导体技术路标列为非常可能替代CMOS的一种革命性电子器件。

自从QCA的概念首次提出以来，实验和理论研究都有了巨大的进步。电性QCA(包括金 属点QCA，半导体QCA和分子QCA)和磁性QCA作为可能的实现方式已经在实验室中成功论证。 研究表明，半导体QCA，分子QCA和磁性QCA可以实现室温下的稳定运行。分子QCA的运行 速度最高可以达到THz。QCA技术提供了一种革命性的方法来利用器件和器件之间的相互作用 来进行计算和信息传递，这和传统的用电压和电流来表示和处理信息的方法有本质上的区别。 这从根本上避免了高功耗的可能。QCA技术的基本单元是QCA元胞，这些元胞构成了QCA的 逻辑门。其中最重要最基本的两个逻辑门是二维择多逻辑门和反相器。由于使用择多逻辑门 可以很容易地实现与门和非门，因此使用择多逻辑门和反相器就可以实现全部的逻辑功能。 由于QCA的逻辑门和传输线都是由QCA元胞组成的，因此使用QCA电路可以同时进行计算和 通信。三维QCA电路提供了额外的计算维度可以进一步降低功耗并减小电路的面积。

目前现有的二维量子元胞自动机加法器，其面积较大，因此使用较多的硬件资源，功耗 也比较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种三维量子元胞自动机加法 器。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

三维量子元胞自动机加法器，包括七条量子元胞自动机连线、一个二维择多逻辑门、一 个二层三维择多逻辑门、一个三层三维择多逻辑门、第一至第四三维反相器、第一二维反相 器和第二二维反相器；

所述三维量子元胞自动机加法器分布在三个电路层上，具有三个输入端和两个输出端；

所述二层三维择多逻辑门包含五个元胞，其中四个元胞位于上层电路且呈丁字型，另一 个元胞位于中层电路且在上层丁字型元胞结构交汇点的正下方，位于丁字型元胞结构两端以 及下部的三个元胞分别为所述二层三维择多逻辑门的三个输入端，位于丁字型元胞结构交汇 点正下方的元胞为所述二层三维择多逻辑门的输出端，所述二层三维择多逻辑门实现的逻辑 功能为：

$M_{2L}(A,B,C)=\bar{A}\bar{B}+\bar{A}\bar{C}+\bar{B}\bar{C}$

其中，M_2L为二层三维择多逻辑门，A,B,C为广泛意义上的输入参数；

所述三层三维择多逻辑门包含五个元胞，所述五个元胞分布在三个电路层上，其中，三 个基本元胞处于中层电路且呈直线型，另外两个元胞分别处于上层电路和下层电路并与中层 电路直线型元胞结构的中间元胞上下对齐，上层电路的元胞、中层电路直线型元胞结构的首 尾两个元胞分别为所述三层三维择多逻辑门的三个输入端，下层电路的元胞为所述三层三维 择多逻辑门的输出端，所述三层三维择多逻辑门实现的逻辑功能为：

$M_{3L}(A,B,C)=A\bar{B}+A\bar{C}+\bar{B}\bar{C}$

其中，M_3L为三层三维择多逻辑门；

所述二维择多逻辑门包含五个元胞，所述五个元胞都位于下层电路且呈十字型，位于十 字型元胞结构凸起位置的四个元胞中的三个元胞为所述二维择多逻辑门的输入端，另外一个 元胞为所述二维择多逻辑门的输出端，所述二维择多逻辑门实现的逻辑功能为：

M_1L(A,B,C)＝AB+AC+BC

其中，M_1L为二维择多逻辑门；

所述三维反相器包含两个元胞，所述两个元胞分别处于两个相邻的电路层上且上下对齐， 其中一个元胞为所述三维反相器的输入端，另一个元胞为所述三维反相器的输出端，所述三 维反相器实现的逻辑功能为:

$\mathrm{INV}\left(A\right)=\bar{A}$

其中，INV为三维反相器；

所述三层三维择多逻辑门位于上层的元胞通过一条由一个元胞构成的量子元胞自动机连 线与所述二层三维择多逻辑门位于丁字型元胞结构下部的元胞相连；

所述二层三维择多逻辑门位于丁字型元胞结构两端的元胞中的一个元胞通过一条由一个 元胞构成的量子元胞自动机连线与第三三维反相器中的一个元胞相连；

所述第三三维反相器的另一个元胞位于中层电路，通过一条由一个元胞构成的量子元胞 自动机连线与第一二维反相器的一个元胞相连；

所述二层三维择多逻辑门位于丁字型元胞结构两端的元胞中的另一个元胞通过一条由两 个元胞构成的量子元胞自动机连线与第一三维反相器中的一个元胞相连；

所述第一三维反相器中的另一个元胞位于中层电路，通过一条由五个元胞构成的量子元 胞自动机连线与三层三维择多逻辑门的直线型元胞结构的一端相连；

所述三层三维择多逻辑门的直线型元胞结构的另一端与第一二维反相器的另一个元胞相 连；

所述二层三维择多逻辑门位于中层电路的元胞与下层电路中处在其正下方的一个元胞组 成第二三维反相器；

所述第三三维反相器位于中层电路的元胞与下层电路中处在其正下方的一个元胞组成第 四三维反相器；

所述二维择多逻辑门位于与输出端相对的输入端的元胞与所述第二三维反相器位于下层 的元胞构成第二二维反相器；

所述二维择多逻辑门位于另外两个输入端的元胞中的一个元胞，通过一条由两个元胞构 成的量子元胞自动机连线与所述第四三维反相器位于下层电路的元胞相连；

所述二维择多逻辑门位于另外两个输入端的元胞中的另一个元胞，通过一条由八个元胞 构成的量子元胞自动机连线与所述三层三维择多逻辑门位于下层的元胞相连；

所述三层三维择多逻辑门位于上层的元胞、第一三维反相器位于上层的元胞、第三三维 反相器位于上层的元胞分别为所述三维量子元胞自动机加法器的三个输入端；

所述第二三维反相器位于下层的元胞、二维择多逻辑门位于输出端的元胞分别为所述三 维量子元胞自动机加法器的两个输出端。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

与之前的二维量子元胞自动机加法器相比，本发明提供了额外的计算空间，可以节省70％ 的元胞，面积减少超过40％，因此需要更少的硬件资源，功耗更低。

附图说明

图1为三维量子元胞自动机加法器的电路版图；

图2为三维量子元胞自动机加法器的一个计算实例；

图3为一个包含五个元胞的量子元胞自动机连线；

图4为二维择多逻辑门电路版图；

图5为二层三维择多逻辑门电路版图；

图6为三层三维择多逻辑门电路版图；

图7为二维反相器电路版图；

图8为三维反相器电路版图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1和图2所示，本发明公开了一种三维量子元胞自动机加法器，包括七条量子元胞 自动机连线、一个二维择多逻辑门、一个二层三维择多逻辑门、一个三层三维择多逻辑门、 第一至第四三维反相器、第一二维反相器和第二二维反相器；

所述三维量子元胞自动机加法器分布在三个电路层上，具有三个输入端和两个输出端；

所述二层三维择多逻辑门包含五个元胞，其中四个元胞位于上层电路且呈丁字型，另一 个元胞位于中层电路且在上层丁字型元胞结构交汇点的正下方，位于丁字型元胞结构两端以 及下部的三个元胞分别为所述二层三维择多逻辑门的三个输入端，位于丁字型元胞结构交汇 点正下方的元胞为所述二层三维择多逻辑门的输出端，所述二层三维择多逻辑门实现的逻辑 功能为：

$M_{2L}(A,B,C)=\bar{A}\bar{B}+\bar{A}\bar{C}+\bar{B}\bar{C}$

其中，M_2L为二层三维择多逻辑门，A,B,C为广泛意义上的输入参数；

所述三层三维择多逻辑门包含五个元胞，所述五个元胞分布在三个电路层上，其中，三 个基本元胞处于中层电路且呈直线型，另外两个元胞分别处于上层电路和下层电路并与中层 电路直线型元胞结构的中间元胞上下对齐，上层电路的元胞、中层电路直线型元胞结构的首 尾两个元胞分别为所述三层三维择多逻辑门的三个输入端，下层电路的元胞为所述三层三维 择多逻辑门的输出端，所述三层三维择多逻辑门实现的逻辑功能为：

$M_{3L}(A,B,C)=A\bar{B}+A\bar{C}+\bar{B}\bar{C}$

其中，M_3L为三层三维择多逻辑门；

所述二维择多逻辑门包含五个元胞，所述五个元胞都位于下层电路且呈十字型，位于十 字型元胞结构凸起位置的四个元胞中的三个元胞为所述二维择多逻辑门的输入端，另外一个 元胞为所述二维择多逻辑门的输出端，所述二维择多逻辑门实现的逻辑功能为：

M_1L(A,B,C)＝AB+AC+BC

其中，M_1L为二维择多逻辑门；

所述三维反相器包含两个元胞，所述两个元胞分别处于两个相邻的电路层上且上下对齐， 其中一个元胞为所述三维反相器的输入端，另一个元胞为所述三维反相器的输出端，所述三 维反相器实现的逻辑功能为:

$\mathrm{INV}\left(A\right)=\bar{A}$

其中，INV为三维反相器；

所述三层三维择多逻辑门位于上层的元胞通过一条由一个元胞构成的量子元胞自动机连 线与所述二层三维择多逻辑门位于丁字型元胞结构下部的元胞相连；

所述二层三维择多逻辑门位于丁字型元胞结构两端的元胞中的一个元胞通过一条由一个 元胞构成的量子元胞自动机连线与第三三维反相器中的一个元胞相连；

所述第三三维反相器的另一个元胞位于中层电路，通过一条由一个元胞构成的量子元胞 自动机连线与第一二维反相器的一个元胞相连；

所述二层三维择多逻辑门位于丁字型元胞结构两端的元胞中的另一个元胞通过一条由两 个元胞构成的量子元胞自动机连线与第一三维反相器中的一个元胞相连；

所述第一三维反相器中的另一个元胞位于中层电路，通过一条由五个元胞构成的量子元 胞自动机连线与三层三维择多逻辑门的直线型元胞结构的一端相连；

所述三层三维择多逻辑门的直线型元胞结构的另一端与第一二维反相器的另一个元胞相 连；

所述二层三维择多逻辑门位于中层电路的元胞与下层电路中处在其正下方的一个元胞组 成第二三维反相器；

所述第三三维反相器位于中层电路的元胞与下层电路中处在其正下方的一个元胞组成第 四三维反相器；

所述二维择多逻辑门位于与输出端相对的输入端的元胞与所述第二三维反相器位于下层 的元胞构成第二二维反相器；

所述二维择多逻辑门位于另外两个输入端的元胞中的一个元胞，通过一条由两个元胞构 成的量子元胞自动机连线与所述第四三维反相器位于下层电路的元胞相连；

所述二维择多逻辑门位于另外两个输入端的元胞中的另一个元胞，通过一条由八个元胞 构成的量子元胞自动机连线与所述三层三维择多逻辑门位于下层的元胞相连；

所述三层三维择多逻辑门位于上层的元胞、第一三维反相器位于上层的元胞、第三三维 反相器位于上层的元胞分别为所述三维量子元胞自动机加法器的三个输入端；

所述第二三维反相器位于下层的元胞、二维择多逻辑门位于输出端的元胞分别为所述三 维量子元胞自动机加法器的两个输出端。

图1为本发明提出的三维量子元胞自动机加法器的电路版图，一共需要43个基本元胞， 实现以下逻辑功能：

$s={\mathrm{abc}}_i+\bar{a}\bar{b}{c}_i+\bar{a}b{\bar{c}}_i+a\bar{b}{\bar{c}}_i$

c_o＝ab+ac_i+bc_i

其中，a，b为一位全加器的两个操作数，c_i为输入进位位，s为和，c_o为输出进位位。 该量子元胞自动机加法器的逻辑表达式可以进一步化简为由择多逻辑门和反相器表示的逻辑 功能：

$s=M_{1L}(M_{3L}(a,\bar{b},c_i),c_i,{\bar{c}}_o)$

$c_o=M_{1L}(a,b,c_i)={\bar{M}}_{2L2}(a,b,c_i)$

图2给出了一个具体的计算实例。当输入a＝1,b＝0且c_i＝1时，三维量子元胞自动机加法 器所使用的M_3L输出为0，M_2L输出为0，M_1L输出为0，最终结果为和s＝0,输出进位位c_o＝1。

图3为一个包含五个元胞的量子元胞自动连线，量子自动元胞机连线可以由位于同一个 电路层的多个基本元胞呈直线或者拐角成90度的折线排列组成。

图4所示为二维择多逻辑门，其逻辑功能为：

M_1L(A,B,C)＝AB+AC+BC

其中，M_1L为二维择多逻辑门，A,B,C分别为二维择多逻辑门的三个输入参数。

图5所示的二层三维择多逻辑门，实现以下逻辑功能：

$M_{2L}(A,B,C)={\bar{M}}_{1L}(A,B,C)=M_{1L}(\bar{A},\bar{B},\bar{C})=\bar{A}\bar{B}+\bar{A}\bar{C}+\bar{B}\bar{C}$

图6所示的三层三维择多逻辑门实现以下逻辑功能：

$M_{3L}(A,B,C)=M_{1L}(A,\bar{B},\bar{C})=A\bar{B}+A\bar{C}+\bar{B}\bar{C}$

其中，M_2L需要两层电路平面，M_3L需要三层电路平面，两者之间的关系如下：

$M_{2L}(A,B,C)=M_{3L}(\bar{A},B,C)$

图7所示为二维反相器，图8所示为三维反相器，二维和三维反相器都可以实现如下逻 辑功能:

以上只是对本发明的优选实施方式进行了描述。对该技术领域的普通技术 人员来说，根据以上实施方式可以很容易地联想到其它的优点和变形。因此，本发明并不局 限于上述实施方式，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背 离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员在本发明技术的方案范围内进行的通常变化和 替换，都应包含在本发明的保护范围之内。