基于纳米技术的采用量子点技术的三输入多数门和异或门全加器设计

《Scientific Reports》：Nanotechnology-based full-adder design with three-input majority and XOR gates using quantum-dots technology

　　

摘要

量子点细胞自动机（QCA）是一种新兴的纳米计算范式，其中二进制信息通过细胞极化和库仑相互作用来表示和传播。QCA 技术为实现紧凑的数字逻辑结构提供了一种可能替代传统互补金属氧化物半导体电路的方案。本文提出了一种多层 QCA 架构，用于使用三输入异或门和三输入多数门实现一位全加器。三输入异或门生成和（SUM）输出，而多数门直接产生进位（CARRY）输出。随后，所提出的全加器单元被用作四位行波进位加器的基本构建模块，其中每一级的进位输出连接到下一级的进位输入。所提出的布局采用三层结构实现，并提供对输入和输出单元的直接访问。所提出电路的功能行为使用 QCADesigner 进行评估，而其能耗特性则使用 QCADesigner-E 进行分析，该软件支持对所采用的多层结构进行评估。仿真结果表明，所提出的一位全加器由 21 个 QCA 单元组成，占用面积为 0.02 μm2，并以 0.5 个时钟周期的延迟产生和（SUM）和进位（CARRY）输出。所提出的四位行波进位加器由 141 个单元组成，占用面积为 0.25 μm2，并在两个时钟周期后生成最终进位输出。仿真的输出波形验证了两种电路在应用输入组合下的功能正确性。结果表明，所提出的多层结构在保持对输入和输出单元直接访问的同时，提供了一位全加器和四位行波进位加器的紧凑实现。