13、QCA 技术下的电路设计与能耗分析

QCA 技术下的电路设计与能耗分析

1. QCA 技术背景与优势

随着晶体管特征尺寸呈指数级缩小，CMOS 技术在能量耗散和制造方面面临严峻挑战。晶体管尺寸减小使得器件更易受高泄漏电流、高功率密度和热噪声影响，这对 VLSI 行业产生巨大冲击。为应对这些挑战，高性能下一代电子设备成为研究热点。目前，研究人员提出了许多纳米电子设备，其中量子点元胞自动机（QCA）技术是最重要的纳米技术之一，被视为互补金属氧化物半导体（CMOS）的替代方案。

QCA 技术具有超高密度、太赫兹频率范围内的快速开关速度和超低功耗等优势，这些特性使其有可能突破传统电路的瓶颈，实现更高效的电路性能。制造 QCA 设备的材料和方法包括：
1. 半导体材料方案；
2. 铁磁材料方案；
3. 分子材料方案；
4. 金属材料制成的隧道结策略。

分子 QCA 单元和磁性 QCA 单元能在室温下稳定工作，为大规模 QCA 电路在室温下可靠运行提供了可靠前提。

2. QCA 基础知识

• QCA 单元 ：四量子点 QCA 单元是 QCA 最基本的组成部分。每个四量子点 QCA 单元包含四个量子点和两个自由电子，量子点之间有隧道结，两个自由电子可在四个量子点间自由移动。四量子点 QCA 单元的极化 $P$ 可衡量电子电荷在四个量子点间的分布程度，定义公式为：
  $P = \frac{(\rho_1 + \rho_3) - (\rho_2 + \rho_4)}{\rho_1 + \rho_2 + \rho_3 + \rho_4}$
  其中 $\rho_i$ 表示每个单元中每个量子点