Компресор 3:2 з низьким енергоспоживанням на основі XOR-XNOR та 2:1 мультиплексора за QCA технологією

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347024030014

Ключові слова:

квантово-точковий клітинний автомат, QCA, наноелектроніка, цифрова схема, низьке енергоспоживання, двійковий компресор

Анотація

В галузі проєктування схем спостерігається зростаюча тенденція до створення високошвидкісних схем із мінімальною кількістю помилок на нанометровому рівні. Таким чином, квантово-точкові клітинні автомати QCA (quantum-dot cellular automata) є парадигмою на основі нанотехнологій, яка використовує квантову комірку з чотирма точками та двома електронами для обчислення логічних бітів, що можна порівняти з архітектурою КМОН на основі транзисторів. Ця стаття присвячена проектуванню компресора з малим споживанням з використанням вентиля XOR–XNOR та мультиплексору 2:1. Розроблений компресор на основі QCA містить 152 комірки, розташовані копланарно, та вісім мажоритарних логічних елементів MG (majority gates). За допомогою програми QCAPro досліджено розсіювання енергії компресора за різних значень енергії тунелювання. Крім того, представлені термічні та поляризаційні схеми компресора. Для оцінки продуктивності розробленого компресора його характеристики порівняно з характеристиками найкращих існуючих схем на QCA за кількістю комірок, загальною площею, використанням MG елементів та затримкою сигналу. Новий компресор протестовано за допомогою програми QCADesigner при відсутності комірок. Дана конструкція має лише 5 тестових векторів, що забезпечує 100% покриття помилок та свідчить про її повну відповідність для проектування контролепридатних систем DFT. Запропонований компресор можна використовувати з різними помножувачами, включаючи помножувач дерева Воллеса, DADDA помножувач та компресори вищого порядку 7:3.

Посилання

S. Angizi, E. Alkaldy, N. Bagherzadeh, K. Navi, “Novel robust single layer wire crossing approach for exclusive OR sum of products logic design with quantum-dot cellular automata,” J. Low Power Electron., vol. 10, no. 2, pp. 259–271, 2014, doi: https://doi.org/10.1166/jolpe.2014.1320.

S. Kassa, N. K. Misra, S. S. Ahmadpour, V. Lamba, N. Vadthiya, “A novel design of coplanar 8-bit ripple carry adder using field-coupled quantum-dot cellular automata nanotechnology,” Eur. Phys. J. Plus, vol. 138, no. 8, p. 731, 2023, doi: https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-023-04369-4.

Н. Патак, Н. К. Мисра, Б. К. Бхои, С. Кумар, “Оптимизация параметров сумматоров и устройства быстрого сдвига на основе технологии QCA,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 64, no. 10, pp. 612–627, 2021, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347021100022.

N. K. Misra, S. Wairya, B. Sen, “Design of conservative, reversible sequential logic for cost efficient emerging nano circuits with enhanced testability,” Ain Shams Eng. J., vol. 9, no. 4, pp. 2027–2037, 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.asej.2017.02.005.

K. Kim, K. Wu, R. Karri, “The robust QCA adder designs using composable QCA building blocks,” IEEE Trans. Comput. Des. Integr. Circuits Syst., vol. 26, no. 1, pp. 176–183, 2007, doi: https://doi.org/10.1109/TCAD.2006.883921.

T. Teodosio, L. Sousa, “QCA-LG: A tool for the automatic layout generation of QCA combinational circuits,” in Norchip 2007, 2007, pp. 1–5, doi: https://doi.org/10.1109/NORCHP.2007.4481078.

S. R. Kassa, R. K. Nagaria, R. Karthik, “Energy efficient neoteric design of a 3-input majority gate with its implementation and physical proof in quantum dot cellular automata,” Nano Commun. Networks, vol. 15, pp. 28–40, 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.nancom.2018.02.001.

S. Veeramachaneni, K. Krishna, L. Avinash, S. Puppala, M. B. Srinivas, “Novel architectures for high-speed and low-power 3-2, 4-2 and 5-2 compressors,” in 20th International Conference on VLSI Design held jointly with 6th International Conference on Embedded Systems (VLSID’07), 2007, pp. 324–329, doi: https://doi.org/10.1109/VLSID.2007.116.

S. Hashemi, M. R. Azghadi, A. Zakerolhosseini, “A novel QCA multiplexer design,” in 2008 International Symposium on Telecommunications, 2008, pp. 692–696, doi: https://doi.org/10.1109/ISTEL.2008.4651389.

M. Malekpour, R. Sabbaghi-Nadooshan, A. Kashaninia, “A novel multiplexer simulation using HDLQ in QCA,” Can. J. Electr. Electron. Eng., vol. 3, no. 8, pp. 458–462, 2012.

H. Chen, H. Lv, Z. Zhang, X. Cheng, G. Xie, “Design and analysis of a novel low-power exclusive-OR gate based on quantum-dot cellular automata,” J. Circuits, Syst. Comput., vol. 28, no. 08, p. 1950141, 2019, doi: https://doi.org/10.1142/S021812661950141X.

N. Safoev, J.-C. Jeon, “A novel controllable inverter and adder/subtractor in quantum-dot cellular automata using cell interaction based XOR gate,” Microelectron. Eng., vol. 222, p. 111197, 2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.mee.2019.111197.

П. Джеин, А. М. Джоши, “Анализ влияния расширенной конфигурации n-МОП транзистора на параметры 4x1 мультиплексора,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 61, no. 3, pp. 163–172, 2018, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347018030044.

М. М. Пилипко, Д. В. Морозов, “Сравнительный анализ схем КМОП сумматоров на 10 транзисторах,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 57, no. 9, pp. 42–54, 2014, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347014090040.

П. Джеин, Ш. Акеше, “Оптимизация мощности и задержки наноразмерного (4х1)-мультиплексора при использовании схемы удвоителя напряжения на КМОП структурах,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 59, no. 11, pp. 3–18, 2016, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347016110017.

J.-C. Jeon, “Designing nanotechnology QCA–multiplexer using majority function-based NAND for quantum computing,” J. Supercomput., vol. 77, no. 2, pp. 1562–1578, 2021, doi: https://doi.org/10.1007/s11227-020-03341-8.

J.-C. Jeon, “Low-complexity QCA universal shift register design using multiplexer and D flip-flop based on electronic correlations,” J. Supercomput., vol. 76, no. 8, pp. 6438–6452, 2020, doi: https://doi.org/10.1007/s11227-019-02962-y.

C. Kommu, D. Rani, “High performance 3-2 compressors architectures for high speed multipliers,” in 2018 International Conference on Smart Systems and Inventive Technology (ICSSIT), 2018, pp. 539–542, doi: https://doi.org/10.1109/ICSSIT.2018.8748579.

J. Tonfat, R. Reis, “Low power 3–2 and 4–2 adder compressors implemented using ASTRAN,” in 2012 IEEE 3rd Latin American Symposium on Circuits and Systems (LASCAS), 2012, pp. 1–4, doi: https://doi.org/10.1109/LASCAS.2012.6180303.

E. AlKaldy, A. H. Majeed, M. S. Zainal, D. M. Nor, “Optimum multiplexer design in quantum-dot cellular automata,” Indones. J. Electr. Eng. Comput. Sci., vol. 17, no. 1, p. 148, 2020, doi: https://doi.org/10.11591/ijeecs.v17.i1.pp148-155.

S.-S. Ahmadpour, N. J. Navimipour, S. Kassa, N. K. Misra, S. Yalcin, “An ultra-efficient design of fault-tolerant 3-input majority gate (FTMG) with an error probability model based on quantum-dots,” Comput. Electr. Eng., vol. 110, p. 108865, 2023, doi: https://doi.org/10.1016/j.compeleceng.2023.108865.

S. R. Kassa, R. K. Nagaria, “A novel design of quantum dot cellular automata 5-input majority gate with some physical proofs,” J. Comput. Electron., vol. 15, no. 1, pp. 324–334, 2016, doi: https://doi.org/10.1007/s10825-015-0757-2.

S. Yadav, N. K. Misra, A. K. Sahu, S. Kassa, “Study of memory cell architectures in QCA technology,” Turkish J. Comput. Math. Educ., vol. 12, no. 10, pp. 4557–4562, 2021.

R. Seethur, R. Karwa, N. Nithin, “Design and analysis of efficient exact and in-exact reversible 4:2 compressor using QCA,” Preprint, doi: https://doi.org/10.2139/ssrn.4525740.

N. Moosavia, K. Navib, V. Aghazarian, “The nonlinear effect in the performance of 4:2 compressor,” Int. J. Nonlinear Anal. Appl., vol. 12, no. 2, pp. 1929–1945, 2021, doi: https://doi.org/10.22075/ijnaa.2021.21970.2309.

P. Foroutan, K. Navi, “A novel current mode approximate multiplier scheme based on 4:2 and 5:2 compressors with low power consumption and high speed in CNTFET technology,” Circuits, Syst. Signal Process., vol. 43, no. 5, pp. 3042–3072, 2024, doi: https://doi.org/10.1007/s00034-023-02593-y.

Структура логічного елементу AND в QCA

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-01-26

Як цитувати

Касса, С., Місра, Н. К., Ахмадпур, С.-С., & Бхой, Б. К. (2024). Компресор 3:2 з низьким енергоспоживанням на основі XOR-XNOR та 2:1 мультиплексора за QCA технологією. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 67(1), 3–16. https://doi.org/10.20535/S0021347024030014

Номер

Том 67 № 1 (2024)

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2024 Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.