25、量子点元胞自动机（QCA）电路的分区与布局优化

量子点元胞自动机（QCA）电路的分区与布局优化

1. 引言

纳米技术和纳米设备正给计算机辅助设计（CAD）领域带来革命性的影响。CAD 在电路、逻辑和架构层面的研究，能为纳米技术研究提供有价值的反馈，助力开发新的纳米设备。如今，CAD 研究人员在纳米研究中扮演积极角色的时机已经成熟。本文聚焦于量子点元胞自动机（QCA）的 CAD 相关问题，旨在阐述 CAD 如何推动 QCA 从小型电路迈向小型系统。

2. QCA 设计规则基础

在分子 QCA 中，存在一些关键的设计规则。例如，元胞间的距离有重要影响，$x_{min}$ 是元胞能成功传输数据的最小距离，它为最大设备密度提供了初始上限；$x_{max}$ 是值仍能成功传输的最大距离。这些规则有助于系统设计师更好地参与到将具有计算价值的系统变为现实的过程中，并且对系统设计师和物理科学家之间的交流产生了积极影响，使双方能更好地理解彼此的需求和限制。

3. QCA 与 CMOS 技术对比

3.1 QCA 的优势

QCA 被视为硅基计算的替代方案，它与硅基系统相比有诸多“优势”，当然也存在一些潜在障碍。以下是 CMOS 基于摩尔定律设计面临的障碍及其对硅基系统和 QCA 的影响对比：
| 障碍 | 对 CMOS 电路的影响 | 与 QCA 的关系 |
| ---- | ---- | ---- |
| 量子效应和隧穿 | 控制晶体管中电子流动的栅极可能使电子穿过小势垒，即使设备应处于关闭状态 | 无影响；QCA 设备是电荷容器，非电流开关，且可利用此特性 |
| 高功耗 | 芯片可能因过热融化，SIA 路线图显示该问题暂无已知解决方