低功耗QCA多路复用器设计

量子点细胞自动机中低功耗密码学元件‐多路复用器的设计与实现

1. 引言

量子点细胞自动机（QCA）是纳米技术的一个领域，最近被公认为六大新兴技术之一，具有未来计算机发展的潜在应用。1-3 多项研究表明，QCA可用于设计通用的计算和存储电路。4-5 QCA最初由伦特等人提出，并通过实验验证。QCA有望实现极高的开关速度、高器件密度以及极低的功耗。

量子点细胞自动机技术的核心是基于由四个量子点构成的双稳态QCA细胞之间的通信。QCA细胞带有自由电子，这些自由电子能够在相邻的量子点之间隧穿。由于电子之间的静电排斥作用，它们倾向于占据对角位置。因此，在QCA细胞中存在两种等效的能量最低构型，如图1所示。这两种构型分别表示为单元极化P =+1和P = -1，对应于逻辑“1”和逻辑“0”。于是，QCA细胞的二进制信息便可编码在电荷分布中。

为了实现所有时序和组合逻辑功能，量子细胞自动机（QCA）单元以某种方式排列，使得一个单元的极化决定了邻近单元的极化。2 与以往的研究相关，许多逻辑门和访问器件6 已在QCA中实现。已报道的基本实现包括：二进制导线、多数门、或门、与门、非门、异或门7 ,位串行加法器 8,9 ,全加器 7-10、乘法器12 ,多路复用器 10,14 ,触发器 15-17、串行存储器18,19 ,并行存储器 20 ,算术逻辑单元10,20,微处理器21,可编程逻辑阵列 (PLA)22,等

2. 相关工作

安格舒曼等人提出了有史以来最小的多路复用器，并确定温度与极化之间存在反比关系。有建议指出，所提议的2:1 多路复用器未来可与其他参数进行比较，而不仅限于单元数量、面积、延迟、时延等。

贾达夫·钱德拉·达斯和迪巴希斯·德提出了一种包含17个单元和11664 nm²面积的 2:1多路复用器，但实际使用面积为47.22%。结果表明，该设计在时钟区域和占用面积方面更快速且更紧凑，这在纳米通信中起着主要作用。

森等人提出了一种在量子细胞自动机（QCA）中设计模块化多路复用器的有效方法，该方法在单元数量、线路交叉和时钟区域方面相较于之前的设计有所改进。通过级联所提议的模块化方法构建了高阶多路复用器。此外，还设计并仿真了可配置逻辑块。该逻辑块具有低输出节点极化、较低的功耗以及18.25%的改进容错能力的优势。

阿斯法斯塔尼和海卡拉巴德提出了一个独特高效的2:1多路复用器，该多路复用器可作为其他多路复用器（如4:1和8:1多路复用器）的门，不仅为更多多路复用器提供了模块化风格，而且节能。所提议的结构已在QCA Designer和QCA Pro（功耗估算工具）中进行了模拟，表现出相当强的鲁棒性。多路复用器的结果在功耗数量方面显示出改进的性能功耗、单元、单元面积和时钟相较于先前的量子细胞自动机多路复用器设计。

拉希迪等人 27 提出、仿真并评估了一种采用共面方法的用于2:1、4:1和8:1多路复用器的高效量子细胞自动机结构。这些结构在QCA Designer中进行了仿真，结果表明，与之前的多路复用器结构相比，所提出的多路复用器在单元数量、时延和面积方面均有改进。

拉希迪等人 28提出并评估了一种新型的2:1多路复用器结构，作为其他多路复用器结构的基本单元。所提出的2:1、4:1和8:1多路复用器通过QCADesigner实现，分别由 17、107和324个单元组成。结果表明，与其它多路复用器结构相比，所提出的结构在延迟、面积和复杂度方面均有改进。

阿米里等人 29讨论了Serpent分组密码的实现，Serpent的基本模块已在QCA中实现并进行了全面仿真。密码算法的实现具有显著优势，例如更高的时钟频率和超低功耗。

阿米里等人 30 使用QCA和查找表技术实现了一个精确的 4×4 S‐Box。所实现的 S‐Box在输入端有四位，在输出端也有相应的四位。任何输入长度和输出长度的S‐Box 均已使用QCADesigner实现并进行了仿真。

贾达夫·钱德拉·达斯和迪巴希斯·德提出了一个通过功耗识别出的极低能量损耗的电路。侧信道攻击可以被限制。利用所提出电路的内在特性。该电路已用作加密的编码器/解码器，并用于确认安全的纳米通信。为了简便起见，使用了三个单词的文本，每次仅将明文中的一个字节作为输入。此外，该编码器/解码器也可用于更高位数。

达斯等人 32提议了一种编码器和解码器电路，旨在设计一种相比传统方法具有更快的时钟速度、低能耗和低量子成本的安全密码学元件。所提出的电路的理论值已与仿真结果进行了比较，验证了该设计的功能性。其他一些密码算法的实现也有望被提出，以实现纳米尺度下具有低功耗的安全纳米通信。

贾达夫·钱德拉·达斯和迪巴希斯·德提出了一种用于安全纳米通信的阿特巴斯密码设计，该设计基于量子细胞自动机（QCA）。所提出的电路已通过8位输入进行验证，但也可适用于更高位数。利用所提出的阿特巴斯编码器/解码器电路实现的电路，可用于即将改进更主流的加密电路，以实现安全的纳米通信。通过所提出电路的内在特性，可限制侧信道攻击。为便于操作，采用了三个单词的文本，每次仅将明文中的一个字节作为输入。仿真结果与理论值进行了比较，证实了所提出电路的实际效率。

苏加尼娅等人通过实现用于数字乳腺X光图像的8位加法器与二进制补码加法，积极提出了图像负片，但尚未进行仿真。1位全加器的结果已通过逻辑仿真和验证。提议的方法涉及为整幅图像实现的8位全加器模块。

Panagiotopoulos 等人提出并模拟了两种实现膨胀和腐蚀这两种形态学操作的先进量子细胞自动机结构。与传统超大规模集成电路设计相比，该提议的实现具有极低的功耗、极小的尺寸、高电路性能和并行处理能力。该提出的设计优势使其在自主和移动设备上运行的图像处理方案中具有重要价值。

Debnath 等人提出了一种基于纳米尺度下以费曼门为基本单元的可逆编码器/解码器量子细胞自动机电路，用于图像隐写术。其主要优点是低功耗和可逆计算。为了降低电路复杂度，引入了通用互连器（GI）。尽管编码器/解码器电路的输入为8位，但该电路仍可适用于更多位数。在不同温度下对其实际效率进行了检验，并测量了电路精度。该隐写电路的主要优势在于具有非确定性特征和固有电阻率，能够抵御功耗分析攻击，从而增强隐藏数据的安全性。

Debnath 等人提出了一种考虑最低有效位（LSB）和对称密钥技术的图像隐写架构。为了降低复杂度，编码器被用作解码器。提出的设计的优点在于低延迟、单元数量少、低功耗和器件密度低。样本图像的均方误差（MSE）和峰值信噪比（PSNR）数值在可接受范围内，SSIM数值展示了所提议技术的准确性。所提议的编码器/解码器可用于设计更复杂的图像隐写术方案。

贾达夫·钱德拉·达斯和迪巴希斯·德 38提议了一种使用量子细胞自动机的弗雷德金门，该设计比早期设计更优化且速度更快。所提出的电路是一种授权技术，其成本相较于保守设计更低。认证电路的稳定性和能量耗散通过热随机性得以验证，且该电路耗散极低能量。此外，同一电路还可用于更多的认证。

3. 提议的工作

本节包含了一种新颖且高效的2:1多路复用器，借助该多路复用器，提出了一种用于 4:1和8:1多路复用器的新结构。

4. 多路复用器

通常，一种从多个模拟或数字输入信号中选择其中一个，并将选定的输入信号直接传输到单一输出线路的设备被称为多路复用器。多路复用器有各种不同的类型和规格，但它们均由逻辑门构成。每个多路复用器至少具有一条选择线，用于选择要传递到输出端的输入信号。在2:1多路复用器中，仅有一条选择线，用于根据选择线的状态从两个输入中选择其一。多路复用器的一个优点是，它可用于设计多种通信和加密电路，例如接收端和发送端电路。此外上述内容中，由于多路复用器具有可编程和可控线路，能够帮助结构从多个输入中选择一个输入，因此被用作选择器总线。

加密设计的复杂度在电路密度和功耗方面是一个重要问题。此外，安全性是纳米通信系统中的主要问题。在纳米通信中，多路复用器是大多数加密电路中的关键元件，因为它能够利用伪随机（PN）序列实现复杂编码生成，例如在量子点细胞自动机技术中的应用，从而增强其安全性。通常情况下，多路复用器根据选择线的状态从输入中选择一个。然而，如果这些选择线具有随机状态或连接到伪随机码或电路，则多路复用器的输出可以成为密文，这正是安全通信的基本要求。

4.1 新型2:1多路复用器

一种新型2:1多路复用器由13个单元组成，仅包含2个时钟区域，总体面积为10584.00 nm2= 0.0105 μm2 。该多路复用器具有三个输入，其中一个输入为选择线，以及一个输出。所提议的2:1多路复用器的真值表如下所示。

4.2 4:1多路复用器

一个4:1多路复用器由49个单元组成，包含4个时钟区域，整体面积为47524.00 nm2 = 0.05 μm2 ，该多路复用器通过级联2:1多路复用器构成。它具有四个输入、两条选择线和一个输出。所提议的2:1多路复用器的真值表如下所示如下。

4.3 8:1 多路复用器

一个8:1多路复用器由115个单元组成，包含6个时钟区域，整体面积为127324.00 nm² = 0.13 μm²，通过级联4:1多路复用器实现。该多路复用器具有八个输入、三条选择线和一个输出。8:1多路复用器的真值表如下所示。

提出的加密多路复用器方案在一定程度上是鲁棒的，因为在仿真的默认参数下，其输出极化度大于0.97。引擎。这意味着，提出的设计在输出端具有更低的势能，因此能够实现无误差。但在 QCA Designer工具中单元的平移方面，提出的设计中的一些单元被精确地平移了一半。因此，如果发生某些错位误差，两个单元之间的势能不会变得过高而改变其期望输出。因此，提议工作中所进行的平移不会影响其鲁棒性。

5. 仿真结果

所提议的结构已通过QCA Designer 39进行仿真，该工具是用于QCA设计的精确仿真工具。仿真过程中使用了QCA Designer的两种引擎，即双稳态近似和相干向量，并针对这两种引擎实现了平行结果。所有设计在各种合适参数下的仿真结果均列于表1中。

所提出的新型2:1、4:1和8:1 QCA多路复用器设计的仿真结果分别如图5、图6和图7所示。

6. 评估结果

本节包含所提出的电路与先前电路的对比结果。在交叉布线类型、单元数量、单元面积和延迟方面，对新型提出的以及先前的2:1、4:1和8:1多路复用器24-28 , 39-62的性能分析分别如表2、表3和表4所示。从所有表格中可以看出，所提出的与之前的多路复用器相比，多路复用器在上述参数方面有所改进。

从表2、表3和表4可以看出，提出的新型模型使用的单元数量更少、单元面积更小、时钟区域更少，并具有高极性，表现出卓越性能、可靠性、效率和高容错能力。

7. 提出方案的功耗估算

除了对新提出的多路复用器进行运行评估以确认其鲁棒性外，还进行了全面的功耗分析。在评估QCA设计的功耗时，扭结能量起着重要作用，因为它与功耗直接相关。电路设计从基态激发到第一激发态所需的能量称为扭结能量。用于估算QCA设计功耗的另一种工具称为QCA Pro，它为每个QCA单元生成相应的热模型。63使用QCA Pro工具，已对 2:1和8:1多路复用器的QCA电路设计的平均泄漏、开关以及能量耗散等参数进行了评估，结果分别如图8和图9所示。

如表5所示，已将提出的方案与一些先前报道的2:1多路复用器进行了对比分析。在切换向量下的提出8:1多路复用器的功耗研究结果如表6所示。

表6 表示 8:1 多路复用器 的选择线、输入及其输出，符合其热等效模型。存在多个功耗参数在不同扭结处的数值如表7所示。

表7展示了新提出的2:1多路复用器在三个离散拐点（0.5 Ek、1.00 Ek和1.5 Ek）及温度2开尔文下的能量耗散评估。

除了上述计算外，还与一些先前报道的2:1多路复用器进行了对比分析，如表8所示。从表8可以看出，与先前报道的设计相比，提出的8:1多路复用器消耗的能源极低。

下图显示了提出的8:1多路复用器在开尔文温度下的最大输出偏振。

8. 结论

本文涵盖了一种新颖且高效的2:1多路复用器，该多路复用器体现了量子点细胞自动机的几乎所有特性。利用这一结构，提出了一种新的4:1和8:1多路复用器构造。该结构的主要优点在于其采用模块化方法，因此可应用于密码学等不同系统中。根据使用 QCAPro进行的功耗分析，所提议的结构具有显著鲁棒性。所有QCA多路复用器结构均通过QCA Designer完成。与早期设计相比，QCA多路复用器在几乎所有参数上均有改进，包括单元数量、单元面积、时钟区域数量以及最重要的功耗。