17、基于MQCA的多路复用器与未来技术节点的双层无结晶体管研究

基于MQCA的多路复用器与未来技术节点的双层无结晶体管研究

1. 基于MQCA的多路复用器

1.1 MQCA技术简介

磁量子点细胞自动机（MQCA）是一项新兴技术。随着晶体管数量的增加，CMOS逻辑电路中的泄漏功率成为主要问题。而MQCA中，所有逻辑信息在双稳态单畴纳米磁体中处理、传播和存储，静态功耗可忽略不计。MQCA设备可用作存储和逻辑设备，能减少所需空间并提高数据传输速度。与半导体QCA设备相比，MQCA在辐射和高温等恶劣环境下稳定性更高，还可使用标准光刻技术制造。据估计，10¹⁰个磁体每秒切换10⁸次时，仅消耗约0.1W功率，这些优势使其成为传统QCA和CMOS设备的有力替代品。

纳米磁性设备基于相邻纳米点之间的铁磁和反铁磁耦合工作，通过形状各向异性和外部时钟脉冲决定磁畴方向（向上为逻辑值1，向下为逻辑值0）。可以设计由偶极耦合驱动的逻辑门，利用磁化方向作为状态变量而非电荷，从而实现组合电路。

1.2 NML基多路复用器电路设计

多路复用器在通信系统、算术逻辑单元、计算机内存和电话网络等领域有广泛应用。此前已有大量基于半导体QCA的多路复用器设计，而基于MQCA的多路复用器是首次实现。

使用GPU的MuMax3微磁模拟器进行布局设计和仿真，该模拟器比基于CPU的微磁模拟器快100倍。通过Landau - Lifshitz方程（LLG）确定相邻纳米磁体的自旋方向和磁化强度：
[
\frac{\delta M(r, t)}{\delta t} = - \gamma M(r, t) \times H_{eff}(r, t) - \frac{\delta \gamma}{M_s} [M(r,