16、量子点细胞自动机（QCA）技术中可逆算术逻辑单元（RALU）新电路设计

量子点细胞自动机（QCA）技术中可逆算术逻辑单元（RALU）新电路设计

1. 引言

如今，CMOS技术在数字电路设计中存在诸如短沟道效应等局限性。量子点细胞自动机（QCA）技术成为了替代CMOS技术的一种选择。在QCA技术中，已经实现了多种计算电路，如移位寄存器电路、全加器电路、多路复用器电路和算术逻辑单元（ALU）电路等。此外，可逆逻辑能够避免能量损失，因此可逆数字电路的设计成为了研究热点。可逆电路的输入和输出数量相等，且每个输入都映射到唯一的输出，从而减少了能量耗散。

ALU是中央处理器（CPU）的主要和基本部分，能够执行诸如OR、AND、XOR、减法和全加等操作。为了提高可逆ALU（RALU）电路的效率，已经进行了多次尝试。

本文设计了一个低面积和低延迟的可逆逻辑单元（RLU），并基于此开发了三个1位3层QCA RALU电路。使用QCADesigner工具实现这些RALU电路。结果表明，RLU电路由40个单元组成，面积为0.07μm²。第一个、第二个和第三个1位QCA RALU电路分别由209（0.29μm²）、174（0.24μm²）和596（0.96μm²）个单元（面积）组成。与之前的QCA RALU电路相比，这些新电路在面积、复杂度、延迟和成本方面具有优势。

2. 背景

2.1 QCA单元

量子单元是QCA技术的主要构建块和最小单元。每个QCA单元由四个点和两个移动电子组成。由于电子之间的静电排斥，电子只会位于QCA单元的对角线上。因此，QCA单元有两种稳定状态。

2.2 QCA线

QCA线由排成一排的90°或45°单元组成。在第一种情况下，单元具有相同的极