基于原子硅悬挂键技术的可扩展码转换器架构设计与性能评估

《Scientific Reports》：Scalable binary-to-gray and Gray-to-Binary code converters using atomic silicon dangling bonds: hierarchical physical design, complexity analysis, and robustness evaluation

　　

摘要

原子硅悬挂键（ASDB）技术平台作为一种高效的解决方案，在实现具有极高集成密度、低功耗运行以及与硅技术制造工艺兼容的原子精确数字电路方面展现出巨大潜力。然而，基于ASDB技术的可扩展且功能性强的码转换系统目前仍然未知。在本研究中，我们基于SiQAD仿真框架内的分层物理设计方法，提出了二进制转格雷码（B2G）和格雷码转二进制（G2B）码转换器的可扩展架构。通过SimAnneal仿真对3位、4位和8位转换器的物理布局进行了综合和验证，同时构建了分析性可扩展模型以评估大规模16位、32位、64位、128位和256位转换器的物理资源需求。性能评估从悬挂键数量、物理尺寸、传播延迟、面积-延迟乘积（ADP）、基态配置的计算复杂度和能耗等方面展开。对于直接仿真的8位转换器，B2G和G2B架构分别需要300和418个悬挂键，其中G2B比B2G多需要约39.3%的悬挂键。二进制线路布线占8位B2G转换器总悬挂键数量的66.3%，占对应G2B转换器总悬挂键数量的73.4%，证实了布线是主要的物理资源消耗因素。分析性可扩展模型进一步预测256位B2G转换器需要9461个悬挂键，对应的G2B转换器需要13175个悬挂键，表明物理资源需求随转换器位宽的增大而持续增加。结果表明，两种码转换架构之间存在根本性的计算不对称性。所提出的B2G转换器依赖于并行异或操作，其计算深度保持恒定，复杂度为O(1)。相比之下，由于递归异或关系的存在，G2B转换器的传播延迟随O(N)的计算复杂度线性增加。悬挂键分解分析表明，二进制线路布线由于对物理实现成本的主导贡献，成为大型码转换架构的可扩展性瓶颈。对制造工艺引起的几何变化（包括悬挂键错位）的分析证明了逻辑功能和静电电荷配置的稳定性。所提出的分层设计方法为原子码转换器提供了一种可扩展的方法，并为超越CMOS计算中的基于ASDB的数字系统设计确立了实用的设计准则。