基于原子硅量子悬挂键的可持续物联网解决方案：面向能效提升的量子感知ALU设计

为解决传统CMOS-VLSI电路在4 nm以下尺度面临的漏电流、高能耗和热不稳定等问题，研究人员采用原子硅悬挂键(ASDB)纳米技术开发了量子感知算术逻辑单元(ALU)。该设计通过SiQAD仿真验证，实现面积减少99.95%、能耗降低24.48%，为微型物联网芯片提供超密集集成方案。

　　

随着物联网(IoT)设备向微型化发展，传统CMOS(互补金属氧化物半导体)技术在4纳米尺度下遭遇瓶颈——漏电流剧增、能耗飙升和热失稳等问题，严重制约了微型传感器的持续运行能力。这种困境催生了对新型纳米级计算单元的迫切需求，而原子精度制造的硅悬挂键(Atomic Silicon Dangling Bond, ASDB)技术因其天然的量子特性，成为突破物理极限的潜在方案。

研究人员聚焦处理器核心模块算术逻辑单元(ALU)的革新，通过ASDB技术构建量子感知计算架构。利用SiQAD(原子级量子器件仿真工具)进行多维度验证，该设计在仅908.916 nm2的 footprint(占位面积)内实现1.82 eV的超低能耗，相较量子元胞自动机(QCA)架构减少149个悬挂键(Dangling Bonds, DBs)，显著提升原子缺陷容忍度。

关键技术方法包括：1) ASDB纳米级电路建模，2) 量子启发计算机制设计，3) SiQAD仿真平台验证，4) 原子缺陷(如悬挂键缺失、沉积偏差)系统性分析。

PROPOSED ALU FOR IoT Applications

针对智能医疗、城市管理等场景，设计支持实时处理的单比特ALU模块。通过原子级精度排列硅悬挂键，实现比传统CMOS电路更稳定的布尔逻辑运算。

A. COMPARATIVE ANALYSIS AND DISCUSSION

与现有技术对比显示：DB数量从2857个锐减至149个，面积效率提升两个数量级。原子缺陷测试表明，该结构对沉积偏差等工艺误差具有鲁棒性。

CONCLUSION AND FUTURE WORK

该研究证实ASDB-ALU在能效(24.48%降幅)与集成密度(99.95%提升)方面的双重优势，为原子级IoT芯片奠定基础。后续将探索多比特扩展和室温稳定性优化。

这项突破性工作由Wasiq Khan等学者完成，其创新性体现在：首次将ASDB的量子特性与经典计算架构融合，通过原子级仿真验证了可行性。论文发表于《Sustainable Computing: Informatics and Systems》，为后摩尔时代集成电路开辟了新路径。