72、量子点元胞自动机：超越CMOS的计算新范式

量子点元胞自动机：超越CMOS的计算新范式

1. 量子点元胞自动机概述

量子点元胞自动机（QCA）是一种非基于晶体管的纳米技术。其基本元素是包含多个量子点的元胞，元胞间的相互作用纯粹是库仑力作用，不存在电荷的物理传输。QCA具有低功耗和高密度的重要特性，使其适用于通用计算电路和嵌入式应用电路的设计。

QCA技术于1993年被引入，由元胞阵列组成。每个元胞通常包含四个位于正方形角落的量子点和一个中心量子点，这些量子点由硅、镉、硒化物等半导体材料制成的纳米颗粒或晶体构成。由于库仑相互作用，电子会占据两个“对角”相对的量子点，这使得每个元胞具有双稳态特性，便于在大规模元胞阵列中使用。相邻元胞间的物理相互作用可用于实现各种逻辑功能。

与当代基于互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的微处理器和专用集成电路不同，QCA是一种新兴的纳米技术，有望成为CMOS的替代方案。随着CMOS技术的特征尺寸缩小到纳米级，会出现量子隧穿等效应，且由于导线电阻和电容的影响，互连无法自动按比例缩小。而QCA作为无晶体管的计算范式，能够克服CMOS技术的这些缩放限制，实现高达10¹²个器件/cm²的器件密度和太赫兹级的运行速度。

2. QCA电路的基本特性

2.1 面积

QCA电路的面积是指绘制电路的基础矩形块的面积，通过将电路的垂直长度和水平长度相乘来计算。计算公式为：
[A = C_h \times C_w \times L^2]
其中，(C_h)是元胞的最大垂直数量，(C_w)是元胞的最大水平数量，(L)是单个元胞的长度。面积的测量单位可以是平方米（(m^2)）、平方纳米（(nm^2)）或平方微米（(\mu m^2)）。