طراحی یک سلول جدید ورودی انتشارگیت در فناوری آتوماتای سلولی نقطه کوانتومی

روش‌های هوشمند در صنعت برق

مقاله 4، دوره 16، شماره 61، خرداد 1404، صفحه 63-78   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

حمیدرضا صدر ارحامی¹؛ سید محمد علی زنجانی^{* 2}؛ مهدی دولتشاهی³؛ بهرنگ برکتین⁴

¹دانشکده مهندسی کامپیوتر- واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران

²مرکز تحقیقات ریزشبکه‌های هوشمند- واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران

³دانشکده مهندسی برق- واحد نجف‌‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌‌آباد، ایران

⁴مرکز تحقیقات کلان داده- واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران

چکیده

آتوماتای سلولی نقطه کوانتومی (QCA) یک فناوری جدید با سرعت بالا، مصرف توان کم، چگالی بالا و پیچیدگی پایین نسبت به فناوری‌های قدیمی مانند نیم‌رسانای اکسید-فلز مکمل (CMOS) است. از طرفی، روش ورودی انتشارگیت (GDI)، یک روش موفق در سامانه‌‌‌های کم‌مصرف است. این روش باعث کاهش پیچیدگی، کاهش مساحت و کاهش میزان مصرف انرژی در مدارهای طراحی‌‌شده با این روش است. این روش، اجرای طیف گسترده‌‌ای از توابع منطقی پیچیده را تنها با استفاده از دو ترانزیستور به‌‌عنوان بلوک اصلی، امکان‌‌پذیر می‌‌کند. در این مقاله، بلوک GDI مبتنی بر QCA تنها با 11 سلول پیشنهاد شده که به‌‌عنوان واحد طراحی استاندارد، قادر به اجرای توابع اساسی مانند AND، OR، NOT، BUFFER، MUX و XOR برای پیاده‌‌سازی مدارهای دیجیتال است. نتایج شبیه‌‌سازیِ توابع، توسط نرم‌افزار QCADesigner در فناوری 18 نانومتر، نشان ‌‌دهنده عملکرد بهتر سلول هم‌‌سطح پیشنهادی است؛ به‌‌نحوی که سلول پیشنهادی، 1 سیکل ساعت تاخیر برای اجرای عملکردها دارد. همچنین تحلیل میزان مصرف انرژی و توان مصرفی مدارهای طراحی‌‌شده توسط نرم‌افزار QCADesigner انجام شده است. 31 درصد کاهش در تعداد سلول‌‌ها، 50 درصد کاهش در سطح و 17 درصد کاهش در اتلاف انرژی کل از مزایای طرح پیشنهادی نسبت به طرح‌های پیشین است.

کلیدواژه‌ها

آتوماتای سلولی نقطه کوانتومی؛ توان پایین؛ فناوری نانو؛ قطبش؛ ورودی انتشارگیت

سایر فایل های مرتبط با مقاله

1882-Extended Abstract1.pdf

مراجع

[1] E. Abiri, M.R. Salehi, A. Darabi, "Design and evaluation of low power and high speed logic circuit based on the modified gate diffusion input (m-GDI) technique in 32nm CNTFET technology", Proceeding of the IEEE/ICEE, pp. 67–72, Tehran, Iran, May 2014 (doi: 10.1109/IranianCEE.2014.6999505).

[2] M. Sadeghi, K. Navi, M. Dolatshahi, "Novel efficient full adder and full subtractor designs in quantum cellular automata", Journal of Supercomputing, vol. 76, no. 3, pp. 2191–2205, March 2020 (doi: 10.1007/s11227-019-03073-4).

[3] K.Thenmozhi, J.B.B. Rayappan, R. Amirtharajan, P. Praveenkumar, "MUX induced ring oscillators for encrypted nano communication via quantum dot cellular automata", Nano Communication Networks, vol. 27, Article Number: 100338, March 2021 (doi: 10.1016/j.nancom.2020.100338).

[4] A. Ghorbani, M. Dolatshahi, S.M. Zanjani, B. Barekatain, "A new low power, area efficient 4-bit carry look ahead adder in CNFET technology", Majlesi Journal of Electrical Engineering, vol. 16, no. 1, pp. 65–73, March 2022 (doi: 10.52547/mjee.16.1.65).

[5] A. Ghorbani, M. Dolatshahi, S.M. Zanjani, B. Barekatain, "A new low-power dynamic-GDI full adder in CNFET technology", Integration, vol. 83, pp. 46–59, March 2022 (doi: 10.1016/j.vlsi.2021.12.001).

[6] A. Fish, A. Morgenshtein, I.A. Wagner, "Gate-diffusion input (GDI): A power-efficient method for digital combinatorial circuits", IEEE Trans. on Very Large Scale Integration (VLSI), vol. 10, no. 5, pp. 566–581, Oct. 2002 (doi: 10.1109/TVLSI.2002.801578).

[7] E. Abiri, A. Darabi, A. Sadeghi, "Gate-diffusion input (GDI) method for designing energy-efficient circuits in analogue voltage-mode fuzzy and QCA systems", Microelectronics Journal, vol. 87, pp. 81–100, May 2019 (doi: 10.1016/j.mejo.2019.04.001).

[8] C. Lent, S. Craig, P.D. Tougaw, W. Porod, G.H. Bernstein, "Quantum cellular automata", Nanotechnology, vol. 4, no. 1, pp. 49-67, 1993 (doi: 10.1088/0957-4484/4/1/004).

[9] P. Metku, K.K. Kim, M. Choi, "Novel area-efficient null convention logic based on cmos and gate diffusion input (Gdi) hybrid", Journal of Semiconductor Technology and Science, vol. 20, no, 1, pp. 127-134, Feb. 2020 (doi: 10.5573/JSTS.2020.20.1.127).

[10] T.N. Sasamal, K. Ashutosh, M. Anand, "Quantum-dot cellular automata based digital logic circuits : A design perspective", Singapore, Springer, Dec. 2019 (ISBN: 978-9811518249).

[11] A. Morgenshtein, A. Fish, I.A. Wagner, "An efficient implementation of D-flip-flop using the GDI techni­que", Prpceeding of the IEEE/ISCAS, vol. 2, pp. 673-676, Vancouver, BC, Canada, May 2004 (doi: 10.1109/ISCA­S.20­04.1329361)

[12] Hashemi, Sara, M.R. Azghadi, K. Navi, "Design and analysis of efficient QCA reversible adders.", The Journal of Supercomputing, vol. 75, pp. 2106-2125, April 2019 (doi: 10.1007/s11227-018-2683-0).

[13] I. Hook, R. Loyd, S.C. Lee, "Design and simulation of 2-D 2-dot quantum-dot cellular automata logic", IEEE Trans. on Nanotechnology, vol. 10, no. 5, pp. 996-1003, Sept. 2011 (doi: 10.1109/TNANO.20­10.2­092­7­89).

[14] B. Sen, M. Goswami, S. Mazumdar, B.K. Sikdar, "Towards modular design of reliable quantum-dot cellular automata logic circuit using multiplexers", Computers and Electrical Engineering, vol. 45, pp. 42–54, July 2015 (doi: 10.1016/j.compeleceng.2015.05.001).

[15] M. Noorallahzadeh, M. Mosleh, "Parity-preserving reversible flip-flops with low quantum cost in nanoscale", The Journal of Supercomputing, vol. 76, no. 3, pp.2206-2238. March 2020 (doi: 10.1007/s11227-019-03074-3).

[16] S. Hashemi, R. Farazkish, K. Navi, "New quantum dot cellular automata cell arrangements", Journal of Computational and Theoretical Nanoscience, vol. 10, no. 4, pp. 798–809, April 2013 (doi: 10.1166/jctn.2­013.2­773.

[17] W. Lei, G. Xie, "Novel designs of full adder in quantum-dot cellular automata technology", The Journal of Supercomputing, vol. 74, no. 9, pp. 4798–4816, Sept. 2018 (doi: 10.1007/s11227-018-2481-8).

[18] R. Tiwari, D. Bastawade, P. Sharan, A. Kumar, "Performance Analysis of Reversible ALU in QCA", Indian Journal of Science and Technology, vol. 10, no. 29, pp. 1–5, Aug. 2017 (doi: 10.17485/ijst/2017/v1­0i29/1­17­3­24).

[19] J.C. Jeon, "Low-complexity QCA universal shift register design using multiplexer and D flip-flop based on electronic correlations", The Journal of Supercomputing, vol. 76, no. 8, pp. 6438–6452, Aug. 2020 (doi: 10­.1­0­07/s­11227-019-02962-y).

[20] J. Maharaj, S. Muthurathinam, "Effective RCA design using quantum dot cellular automata", Microproce­ssors and Microsystems, vol. 73, Article Number: 102964, March 2020 (doi: 10.1016/j.micpro.2019.102964).

[21] S.H. Shin, J.C. Jeon, K.Y. Yoo, "Design of wire-crossing technique based on difference of cell state in quantum-dot cellular automata", International Journal of Control and Automation, vol. 7, no. 3, pp. 153–164, April 2014 (doi: 10.14257/ijca.2014.7.4.14).

[22] M. Abdullah-Al-Shafi, A.N. Bahar, "An architecture of 2-dimensional 4-dot 2-electron QCA full adder and subtractor with energy dissipation study", Active and Passive Electronic Components, vol. 2018, no. 5, pp. 1-10, Sept. 2018 (doi: 10.1155/2018/5062960).

[23] N. Safoev, J.C. Jeon, "Design of high-performance QCA incrementer/decrementer circuit based on adder/s­ub­tractor methodology", Microprocessors and Microsystems, vol. 72, Article Number: 102927, Feb. 2020 (doi: 10.1016/j.micpro.2019.102927).

[24] M. Mosleh, "A novel design of multiplexer based on nano‐scale quantum‐dot cellular automata", Concurrency and Computation: Practice and Experience, vol. 31, no. 13, Article Number: e5070, July 2019 (doi: 10.10­02/cp­e.5070).

[25] M. Crocker, M. Niemier, X.S. Hu, M. Lieberman, "Molecular QCA design with chemically reasonable constraints", ACM Journal on Emerging Technologies in Computing Systems, vol. 4, no. 2, pp. 1–21, April 2008 (doi: 10.1145/1350763.1350769).

[26] S. Bhanja, M. Ottavi, F. Lombardi, S. Pontarelli, "Novel designs for thermally robust coplanar crossing in QCA",  Proceeding of the IEEE/DATE, vol. 1, pp. 1-6, Munich, Germany, March 2006 (doi: 10.1109/DAT­E.20­06.244120).

[27] A. Navidi, A. Sabbaghi-Nadooshan, M. Dousti, "Introducing an innovative D flip-flop for designing quate­rn­a­ry QCA register", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 13, no. 49, pp. 83- 92, June 2022 (in Persian) (dor: 20.1001.1.23223871.1401.13.49.6.5).

[28] F. Jahanshahi-Javaran, S. Jafarali-Jassbi, H. Khademolhosseini, R. Farazkish, "Computational circuit design using a new seven-input majority gate in quantum-dot cellular automata", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 15, no. 59, pp. 21-34, Dec. 2022 (in Persian) (doi: 20.1001.1.2322­3871.1­403.1­5.5­9.2.5).

[29] M.B. Khosroshahy, M.H. Moaiyeri, S. Angizi, N. Bagherzadeh, K. Navi, "Quantum-dot cellular automata circuits with reduced external fixed inputs", Microprocessors and Microsystems, vol. 50, pp. 154–163, May 2017 (doi: 10.1016/j.micpro.2017.03.009).

[30] D. Tripathi, S. Sana, S. Wairya, "Cell Optimization and Realization of MGDI and QCA based combinational logic circuits for nanotechnology applications", Proceeding of the IEEE/INDICON, pp. 1–8, New Delhi, India, Dec. 2020 (doi: 10.1109/INDICON49873.2020.9342097).

[31] N. K. Mandai, R. Chakrabarty, "Complementary dual-output universal gate in quantum dot cellular automata", Proceeding of the IEEE/IEMECON, pp. 321–323, Bangkok, Thailand, Aug. 2017 (doi: 10.1109/IEM­ECO­N.20­17.8­079615).

[32] M. Hayati, A. Rezaei, "Design of a new optimized universal logic gate for quantum-dot cellular automata", IETE Journal of Research, vol. 68, no. 2, pp. 1141-1147, 2022 (doi: 10.1080/03772063.2019.1643262).

[33] S.S. Ahmadpour, M. Mosleh, "A novel fault-tolerant multiplexer in quantum-dot cellular automata techno­lo­g­y", The Journal of Supercomputing, vol. 74, no. 9, pp. 4696–4716, Sept. 2018 (doi: 10.1007/s11227-018-2464-9).

[34] H. Rashidi, A. Rezai, S. Soltany, "High-performance multiplexer architecture for quantum-dot cellular auto­ma­ta", Journal of Computational Electronics, vol. 15, no. 3, pp. 968–981, Sept. 2016 (doi: 10.1007/s10825-016-0832-3).

[35] H. Rashidi, A. Rezai, S. Soltany, "A unique structure for the multiplexer in quantum-dot cellular automata to create a revolution in design of nanostructures", Journal of Computational Electronics, vol. 512, pp. 91–99, Sept. 2017 (doi: 10.1016/j.physb.2017.02.028).

[36] A. Firdous, "An optimal design of QCA based 2n:1/1:2n multiplexer/demultiplexer and its efficient digital logic realization", Microprocessors and Microsystems, vol. 56, pp. 64–75, Feb. 2018 (doi: 10.1016/j.micp­ro.­20­­17.10.010).

[37] L. Wang, G. Xie, "A novel XOR/XNOR structure for modular design of QCA circuits",  IEEE Trans. on Circuits and Systems, vol. 67, no. 12, pp. 3327–3331, April 2020 (doi: 10.1109/TCSII.2020.2989496).

[38] T.N. Sasamal, A.K. Singh, U. Ghanekar, "Design and analysis of ultra-low power QCA parity generator circuit", Advances in Power Systems and Energy Management, vol. 436, pp. 347–354, 2018 (doi: 10.1007/9­78-­9­81-10-4394-9_35).

[39] H. Mohammadi, K. Navi, "Energy-efficient single-layer QCA logical circuits based on a novel XOR gate",  Journal of Circuits, Systems and Computers, vol. 27, no. 14, Article Number: 1850216, Dec. 2018 (doi: 10.11­42/S­021812661850216X).

[40] Y. Zhang, F. Deng, X. Cheng, G. Xie, " A coplanar XOR using NAND-NOR-inverter and five-input majority voter in quantum-dot cellular automata technology", International Journal of Theoretical Physics, vol. 59, pp. 484-501, 2020 (doi: 10.1007/s10773-019-04343-w).