7、量子点细胞自动机中加法器和多路复用器的优化设计

量子点细胞自动机中加法器和多路复用器的优化设计

1. 引言

当前的CMOS技术面临着诸如高功耗和特征尺寸缩小等问题，这是由于登纳德缩放定律的失效。纳米级的发展需要一种替代技术，以帮助创建更小尺寸和更低功耗的设备。量子点细胞自动机（QCA）是最具趋势的替代技术之一，它由Lent等人在1993年发明，并在1997年得到实际验证。QCA的主要优势在于信息传播无需电流流动，而CMOS中晶体管之间的电流传输会导致高功耗。可逆电路也是降低功耗的另一种替代解决方案。与需要外部电源的CMOS不同，QCA使用时钟信号为电路提供实际运行所需的功率。

QCA技术的基本门包括3输入多数门、导线和反相器。许多数字架构都是这些基本门的组合。目前，这三个基本元素和时钟信号决定了设计的复杂性。细胞交互方法在设计中被广泛使用，可实现大规模的优化。算术逻辑单元（ALU）用于在任何微处理器中执行算术和逻辑运算，因此在处理器内部设计小尺寸的加法器和减法器架构至关重要。

本文介绍了QCA技术中的几种组合电路设计，如半加器、全加器、半减法器、全减法器和多路复用器。所提出的半加器使用25个细胞，面积为0.03 µm²；全加器使用31个细胞，面积为0.02 µm²。半减法器设计使用22个细胞，面积为0.03 µm²；全减法器电路使用31个细胞，面积为0.02 µm²。还实现了一个2×1多路复用器设计，由22个细胞组成，在3个时钟区域后产生输出。

2. QCA术语

2.1 QCA细胞

QCA细胞由四个量子点组成，它们位于正方形的四个角。由于库仑排斥力，两个电子呈对角线排列。电子可以根据量子点之间的势垒水平从一个点移动到相邻点。因此，细胞可以处于两种可能的极化状态