1、用量子元胞搭建的數值比較器與存儲器摘要：簡述了量子元胞自動機（QCA）實現邏輯電路的方法，并以量子元胞搭建出可用作基礎結構單位的數值比較器和存儲器，為做出有實用價值的數值比較器和存儲器提供了一種 新方法，即：以低位的數值比較器和存儲器為基本元器件搭建大規模的數值比較器和存儲器。關鍵詞：量子元胞自動機 數值比較器 存儲器 元器件引言：微電子器件的集成度和運算速度已持續呈指數級增長近40年，保持這種快速的 增長各方面需要有效的改進。但當電子器件的尺寸達到0.07 m時，由于功率耗散和相互連 接等問題使得基于半導體技術的器件尺寸難以減小。事實上，研究表明，晶體管的尺寸將達 到它的物理極限。為了能夠解

2、決傳統集成電路的局限性問題，很多人都在尋找新的方法來搭 建集成電路。終于LENT等人提出了一種可能取代傳統集成電路的方法量子元胞自動機。它 可以解決集成電路在繼續發展過程中產生的尺寸問題。QCA是由量子點和隧道結按一定的 結構組合而成，量子點之間通過其中包含的電子相互作用而連接，它不再是利用電壓或電 流來表示信息，而是通過電子占據的量子點的位置來表征二進制信息。另外，它通過庫侖力 相互作用與相鄰的細胞進行連接，可以做到無引線集成，具有超高集成密度和超低功耗等 優點QCA細胞是納米結構尺度的，能朝著分子級方向發展，基于QCA細胞的存儲器能很容 易具有超高集成密度和超低功耗等特點，會在將來的大規模

3、、高集成度數字電路中有廣泛 的應用前景。量子元胞自動機：圖所示為四個單電子隧道結（帶橫線的方框符號）構成的環，其角上是四 個量子點（空心圓圈），若再包含另外的兩個電子就構成了一個QCA細胞，如圖所示，電 子能夠通過隧道結在細胞內的量子點間隧穿。由于庫侖排斥力作用，兩個電子易于占據對角 線上的量子點，因此，單個細胞具有兩個完全極化狀態，這就是QCA細胞的雙穩態 特性一般用圖中的符號表示單個細胞的這兩個狀態。0OO&O6Jd66四個隧道結構成的環（員包含兩個電F的QUA細胞圖1隧道結環實現的量子細胞自動機（QCA）細胞(a) P-+1(h) P=-l圖2 QCA細胞的兩個極化態符號這樣我們就能夠使

4、用QCA線來傳遞信息。同時我們還可以用QCA元胞搭建出一些基礎的門電路:InputOutput反相器的數字邏輯電路圖與QCA電路圖同時，我們還可以使用多數門（M）搭建出與門和或門，從而可以對它們進行組合，完成更 復雜的電路搭建。Input AOutput DDevice cellInput C多數門的QCA電路圖QCA搭建的與門QCA搭建的或門有了基本的傳輸線和門電路，就可以構建一些簡單的邏輯電路，但在較大規模的電路搭建時還是力不從心，因為傳統電路中總是存在線路交叉的情況，QCA中解決方法是異面 交聯一不把QCA元胞布在同一層面中。如下圖：但是這種旋轉元胞的共面交聯在QCA電路設計中并不是很穩

5、定的，當其單獨作 為一個電路在QCADesigner中仿真時，證明是真確無誤的。但當電路很繁瑣時， 若將該電路作為復雜電路中的一個單元來使用時，常常會受電路的影響而出錯， 這也是急需解決的問題。數值比較器的設計YA = AB數值比較器是用來判斷兩個數數值婦、或相等的。1位數值比較器的邏輯表達式為：房YB =1其中A, B為兩個=0 ), A=B , AB （如：A =1 , B日fin的3個輸出結果。QCA 一位數值比較器邏輯圖根據原理圖，我先搭建出了一位的QCA元胞圖：丁2JM-F:!F!TljJF!一 vk-k-k-fk-wk-k-k-f小-仿真結果正確無誤。 比較器。用一位構建 優先級的

6、確定工作。又搭建了三位的數值 用或門完全可以完成A,B各為三位數，YA1分別表示A中最高位大于B中最高位。YB1表示B中最高位大于A 中最高位，同理可推YA2,YA3,YB2,YB3。最后輸出為YA0,YB0,YE0。在此圖的仿真過程中 由于元胞數過多，時鐘安排可能不夠合理，仿真軟件可能有問題，并未成功，但原理是完全 正確的。存儲器的設計存儲器是用來存儲程序和數據的部件，有了存儲器，計算機才有記憶功能，才能保證正常 工作。按用途存儲器可分為主存儲器（因存）和輔助存儲器（處在），也有分為外部存儲器 和內部存儲器的分類方法。外存通常是磁性介質或光盤等，能長期保存信息。內存指主板 上的存儲部件，用來

7、存放當前正在執行的數據和程序，但僅用于暫時存放程序和數據，關閉 電源或斷電，數據就會丟失。簡單的一位存儲單元就是一個與門：其中A作為選通信號輸入，B作為存儲數值，C作為輸出，當A被選通，C就會輸出B中的值，完成存儲功能。但此存儲器只具有讀功能，寫功能還沒有完善，個人認為QCA只讀存儲器的寫功能從異面感應著手也是方法之一。上述單元用來單值的存儲較方便，但若用來構建較長 數值的存儲就需要太多的選通線，在試驗和仿真時都 有太多的麻煩，所以我們可以擴大存儲容量。如右圖： 右圖就是四位存儲器，通過選通信號，每次可以輸出 4位二進制數值。如果還是長度不夠，我們可以繼續 擴展容量，直到驅動受驅動能力限制。同

8、樣，右圖也 只是一個基礎單元，可以進行堆積擴展。右圖經過仿 真，結果完全正確。可以很好的輸出存儲值，但要注 意輸出結果落后選通信號一個時鐘周期。在此基礎上，我又搭建了一個4X4的只讀存儲器，如下圖:該存儲器的仿真我并沒有做出來，盡管原理沒有出錯，但可能因為經驗有限，存在各種各樣 的問題，望大家指正。結束語：由于QCA細胞的雙穩態特性，它特別適用于數字電路。文中基于QCA的雙穩態特性和傳 統的CMOS工藝設計了數值比較器和一個4X 4bit的只讀存儲器，。二者的設計都是從基 礎開始做，設計出底層最基本的單元作為元器件，再設計較大的電路。即提供了數值比較器 的奇位搭建方法，也提供了存儲密度大的存儲

9、器搭建方法。參考文獻：王森，蔡理，郭律，基于量子元胞自動機的全加器實現J固體電子學研究 與進展 2005/2/25:1000-3819(2005)02-148-04.王森，蔡理，吳剛，基于量子元胞自動機的只讀存儲器設計J微電子學與 計算機 2007/24/11:1000-7180(2007)11-0046-03.王森，蔡理，蘇發院，基于量子元胞自動機的設計方法J.納米器件與技術2007/4 1671- 4776 (2007) 04-0170-05.王森，蔡理，李芹，吳剛，一種基于量子元胞自動機的三維量子細胞神經網 絡J量子電子學報 2008/5/25： 1007-5461(2008)05-05

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