طراحی مدارهای محاسباتی با استفاده از دروازه اکثریت 7 ورودی جدید در آتوماتای سلولی کوانتومی

الموضوعات :

فرزانه جهانشاهی جواران ¹ , سمیه جعفرعلی جاسبی ² , حسین خادم الحسینی ³ , راضیه فرازکیش ⁴

1 - گروه مهندسی کامپیوتر- واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
2 - گروه مهندسی کامپیوتر- واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
3 - گروه مهندسی کامپیوتر- واحد بیضا، دانشگاه آزاد اسلامی، بیضا، ایران
4 - گروه مهندسی کامپیوتر- واحد تهران جنوب، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

تاريخ الإرسال : 19 الأحد , رجب, 1443 تاريخ التأكيد : 17 السبت , ذو الحجة, 1443 تاريخ الإصدار : 19 الخميس , جمادى الأولى, 1446

الکلمات المفتاحية: نانو الکترونیک, آتوماتای سلولی کوانتومی, تحمل‌پذیری اشکال, دروازه اکثریت هفت ورودی, نرم‌افزار شبیه‌ساز,

ملخص المقالة :

آتوماتای سلولی کوانتومی (QCA) نوعی فن آوری محاسباتی است که جهت ساخت مدارهایی در ابعاد نانو به کار برده می‌شود. با کاهش ابعاد قطعات، حساسیت مدار بیشتر شده و مدارهای کوانتومی نسبت به وقوع عیوب و تشعشعات محیط آسیب پذیرتر هستند. دو دروازه پایه در این فن آوری دروازه معکوس کننده و دروازه اکثریت هستند که بیشتر مدارها بر پایه این دو ساخته می شوند. در این مقاله دروازه‌ اکثریت هفت ورودی در QCA طراحی می شود، به گونه ای که حداقل سربار به مدار تحمیل شود. استفاده از دروازه اکثریت با ورودی های بیشتر باعث کاهش تعداد سلول ها، تاخیر و پیچیدگی در مدار QCA می شود. هرچند شاید ضرورت استفاده از دروازه هفت ورودی هنوز چندان احساس نمی شود. گیت پیشنهادی در این مقاله با 19سلول کوانتومی در فضای اشغالی 24564 نانومتر مربع در یک لایه و با یک فاز کلاک طراحی شده است. سپس تعدادی از دروازه های منطقی از جمله دروازه های منطقی "و" و"یا" چهار ورودی، دروازه "نقیض یای انحصاری" و "یای انحصاری" دو ورودی، دروازه"یای انحصاری" سه ورودی و تمام جمع کننده چند بیتی را با استفاده از دروازه هفت ورودی پیشنهادی طراحی و پیاده سازی می شود. جمع کننده پیشنهادی با دروازه اکثریت هفت ورودی و یک دروازه اکثریت سه ورودی تحمل پذیر اشکال، طراحی شده است. پس می توان گفت که جمع کننده طراحی شده تا حدودی تحمل پذیر اشکال است یعنی در برابر خطاهایی که در این فن آوری رخ می دهد تا حدودی تحمل پذیر است. سپس از نرم افزار QCAPro برای تجزیه و تحلیل توان مصرفی دروازه پیشنهادی استفاده شده و در ادامه عملکرد مدار با استفاده از نرم افزار شبیه ساز آتوماتای سلولی کوانتومی QCADesigner 2.0.3 مورد ارزیابی قرار گرفته است.

المصادر:

[1] R. Farazkish, S. Sayedsalehi, K. Navi, "Novel design for quantum dots cellular automata to obtain fault-tolerant majority gate", Journal of Nanotechnology, vol. 2012, Article Number: 943406, April 2012 )doi: 10.1­15­5/2­­012/943406.(

[2] H. Khademolhosseini S. Angizi, Y. Nemati, "A fault-tolerant design for 3-input majority gate in quantum-dot cellular automata", Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics, vol. 13, no. 1, pp. 93-103, Jan. 2018 (doi: 10.1166/jno.2018.2175(.

[3] R. Farazkish, K. Navi, "New efficient five-input majority gate for quantum-dot cellular automata", Journal of Nanoparticle Research, vol. 14, no. 11, Article Number: 1252, Oct.  2012 (doi: 10.1007/s11051-012-125­2­-3).‏

[4] R. Farazkish, "A new quantum-dot cellular automata fault-tolerant five-input majority gate", Journal of Nanoparticle Research, vol. 16, no. 2, Article Number: 2259, Jan.  2014 (doi: 10.1007/s11051-014-2259-8).‏

[5] A. Roohi, H. Khademolhosseini, S. Sayedsalehi, K. Navi, "A symmetric quantum-dot cellular automata design for 5-input majority gate", Journal of Computational Electronics, vol. 13, no. 3, pp. 701-708, June 2014 (doi: 10.1007/s10825-014-0589-5).

[6] A.H.  Majeed, E. AlKaldy, M.S.B. Zainal, D.B. Nor, "A new 5-input majority gate without adjacent inputs crosstalk effect in QCA technology", Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science, vol. 14, no. 3, pp. 1159-1164, June 2019 (doi: 10.11591/ijeecs.v14.i3.pp1159-1164).

[7] S.S. Ahmadpour, M. Mosleh, S.R. Heikalabad, "The design and implementation of a robust single-layer QCA ALU using a novel fault-tolerant three-input majority gate", The Journal of Supercomputing, vol. 76, no. 12, pp. 10155-10185, March 2020 (doi: 10.1007/s11227-020-03249-3).‏

[8] S.S. Ahmadpour, M. Mosleh, S.R. Heikalabad, "An efficient fault-tolerant arithmetic logic unit using a novel fault-tolerant 5-input majority gate in quantum-dot cellular automata", Computers and Electrical Engineering, vol. 82, Article Number: 106548, March 2020. (doi: 10.1016/j.compeleceng.2020.106548 (.

[9] S. Seyedi, N. Jafari-Navimipour, "Designing a multi‐layer full‐adder using a new three‐input majority gate based on quantum computing", Concurrency and Computation: Practice and Experience, vol. 34, no. 4, Article Number: e6653, Feb. 2022. (doi: 10.1002/cpe.6653.(

[10] J. Bravo-Montes, A. Martín-Toledano, A. Sánchez-Macián, O. Ruano, F. Garcia-Herrero, "Design and implementation of efficient QCA full-adders using fault-tolerant majority gates", The Journal of Supercomputing, vol. 78, no. 6, pp. 8056-8080, Jan. 2022 (doi: 10.1007/s11227-021-04247-9).

[11] K. Navi, A.M. Chabi, S. Sayedsalehi, "A novel seven input majority gate in quantum-dot cellular automata", International Journal of Computer Science Issues, vol. 9, no. 1, pp. 84-89, Jan. 2012.

[12] H. Mohammadi, K. Navi, M. Hosseinzadeh, "An efficient quantum-dot cellular automata full adder based on a new convertible 7-input majority-not gate", IETE Journal of Research, pp. 1-9, Nov. 2020 (doi: 10.1080/03772063.2020.1838338)‏.

[13] J. Jeon, "7-input majority gate based priority encoder using multi-layer quantum-dot cellular automata", Advanced Science Letters, vol. 23, no. 10, pp. 10118-10122, Oct. 2017 ‏(doi: 10.1166/asl.2017.10400).

[14] A.O. Orlov, I. Amlani, G. Toth, C.S. Lent, G.H. Bernstein, G.L. Snider, "Experimental demonstration of a binary wire for quantum-dot cellular automata", Applied Physics Letters, vol. 74, no. 19, pp. 2875-2877, May 1999 (doi: 10.1063/1.124043).‏

[15] A.O. Orlov, I. Amlani, R.K. Kummamuru, R. Ramasubramaniam, G. Toth, C.S. Lent, G.L. Snider, "Experimental demonstration of clocked single-electron switching in quantum-dot cellular automata", Applied Physics Letters, vol. 77, no. 2, pp. 295-297, May 2000 (doi: 10.1063/1.126955).‏

[16] L. Lu, W. Liu, M. ONeill, E.E. Swartzlander, "QCA systolic array design", IEEE Trans. on Computers, vol. 62, no. 3, pp. 548-560, Dec. 2011 (doi: 10.1109/TC.2011.234).

[17] M. Askari, M. Taghizadeh, "Logic circuit design in nano-scale using quantum-dot cellular automata", European Journal of Scientific Research, vol. 48, no. 3, pp. 516-526, 2011.‏

[18] L.A. Lim, A. Ghazali, S.C.T. Yan, C.C. Fat, "Sequential circuit design using quantum-dot cellular Automata (QCA)", Proceeding of the IEEE/ICCAS, pp. 162-167, Kuala Lumpur, Malaysia, Oct. 2012 (doi: 10.1109­/IC­C­ircuitsAndSystems.2012.6408320).

[19] S. Jafarali-Jassbi, F. Jahanshahi-Javaran, H. Khademolhosseini, A. Sabbagh-Molahosseini, "Design and analysis of a fault tolerant 3-input majority gate in quantum-dot cellular automata", Journal of Advances in Computer Research, vol. 10, no. 4, pp. 27-36, Nov. 2019.