基于QCA的数字逻辑电路设计研究

摘要

在过去的半个多世纪里，集成电路技术遵循着Moore定律取得了惊人的进展，而缩小器件特征尺寸是提高芯片集成度和性能的主要途径。但随着特征尺寸的不断缩小，以CMOS技术为主导的集成电路发展遇到了前所未有的挑战，特别是低功耗设计及互连线问题。当器件的特征尺寸进入纳米级，量子效应将逐渐占据主导地位并可能使器件失效，从而使特征尺寸的缩小达到其物理极限。有鉴于此，近年来一方面科研人员从理论上、材料上和工艺上加以修正，以延续Moore定律引领的CMOS技术的生命；另一方面提出了各种可能的替代MOS器件的新型纳米电子器件，以发展新一代集成电路技术。其中的量子细胞自动机(Quantum-DotCellular Automata，QCA)，因其提供了一种全新的信息存储和计算方式，由其组成的数字逻辑电路与CMOS相比具有功耗更低、集成度更高和速度更快等固有特点，被认为是新一代的纳电子器件强有力的竞争者。
　　 在介绍QCA原理及QCA数字逻辑电路设计和仿真方法的基础上，本文聚焦于QCA通用逻辑门、通用阈值逻辑门、双边沿触发器以及三值QCA逻辑电路的设计和仿真。具体工作和创新之处如下：
　　 1、QCA通用逻辑门和通用阈值逻辑门的设计和应用。提出了基于模块化技术的QCA通用逻辑门ULG2，并应用该ULG2设计了全加/全减器、全比较器和4选1数据选择器。与已有的QCA通用逻辑门及其应用电路相比，在细胞数、QCA信号线交叉数等方面电路的性能均有较大的改善。随后提出了QCA通用逻辑门ULG3和三变量通用阈值逻辑门UTLG，并分别提出了基于QCA通用逻辑门ULG3和三变量通用阈值逻辑门UTLG的任意三变量逻辑函数的查表综合。利用所提出的ULG3和UTLG可实现3变量全部256个逻辑函数。所设计的电路经QCADesigner软件仿真，验证了其逻辑功能的正确性。
　　 2、QCA双边沿触发器的设计。触发器是数字系统的关键部件，但相对QCA门电路及组合逻辑电路的研究而言，QCA触发器及时序逻辑电路的研究还很不充分，尤其是高性能的触发器及其应用电路。本文提出了两种基于QCA的新型高性能触发器--双边沿D触发器和双边沿JK触发器。通过OCADesigner仿真，结果表明所设计的两种双边沿触发器均具有正确的逻辑功能。若保持原有的时钟频率不变，所提出的双边沿触发器比相应的QCA单边沿触发器处理数据的速度将提高一倍，从而为设计高性能数字电路和系统提供了坚实的基础。
　　 3、三值QCA(tQCA)基本逻辑电路的Matlab仿真。现行计算机系统采用二值逻辑电路，主要受限于电路元件只有开关两种状态的技术条件限制。其实多值逻辑电路(MVI)由于信号线能传输多值信号，可携带比二值信号更多的信息量，从而有效地提高电路的信息密度，减少互连线，提高系统工作速度。在介绍tQCA细胞的基础上，循着二值QCA逻辑电路的研究思路，提出了基于Matlab的tQCA基本逻辑电路的半经典模型的仿真算法。随后分别对tQCA信号线、非门和多数门进行了编程仿真。结果表明，三值QCA逻辑电路并不是二值QCA逻辑电路的简单推广，其电路设计理论和设计规则有待进一步研究和探索。