基于量子点细胞自动机的紧凑全可逆全加器/减法器设计

《Scientific Reports》：Optimized reversible QCA full adder subtractor for low latency and energy efficiency

　　

摘要

量子点细胞自动机（QCA）为超低功耗和高密度纳米级逻辑提供了一个有前途的超越 CMOS 平台。然而，现有的可逆全加器/减法器（FA/FS）设计通常存在单元数量多、多层布线、多个垃圾输出和延迟增加等问题，这限制了它们实际集成到更大的可逆系统中。本文提出了一种紧凑且完全可逆的基于 QCA 的 FA/FS 架构，该架构使用费曼门和可逆量子门（RQG）构建，两者均针对单层实现进行了优化。所提出的设计通过仅需要一个常数输入并产生单个垃圾输出来最小化开销，同时通过使用旋转单元避免了复杂的导线交叉结构。为了展示可扩展性，还通过级联所提出的 1 位单元开发了一个 2 位 FA/FS 架构。使用 QCADesigner 进行了功能验证，并使用 QCAPro 评估了能量耗散。对比分析表明，与最先进的可逆 FA/FS 设计相比，所提出的可逆 FA/FS 架构提供了实质性的改进。具体来说，所提出的电路在单元数量、占用面积、延迟和计算成本方面分别实现了高达 70.1%、75%、57.14% 和 95.4% 的降低。此外，在评估的工作条件下，所提出的架构在考虑的设计中表现出最低的漏能和开关能量。这些改进表明，在减少与能量相关的开销的同时，提高了面积和计算效率。这些结果突显了所提出的 FA/FS 单元对于未来节能型基于 QCA 的算术和逻辑系统的适用性。