Клеточный автомат на квантовых точках - Quantum dot cellular automaton

Эта статья включает в себя список общих Рекомендации, но он остается в основном непроверенным, потому что ему не хватает соответствующих встроенные цитаты. Пожалуйста, помогите улучшать эта статья введение более точные цитаты. (Январь 2019) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Клеточные автоматы с квантовыми точками (иногда называют просто квантовые клеточные автоматы, или QCA) являются предлагаемым улучшением обычного компьютерного дизайна (CMOS ), которые были разработаны по аналогии с традиционными моделями клеточные автоматы представлен Джон фон Нейман.

Фон

Любое устройство, предназначенное для представления данных и выполнения вычислений, независимо от физических принципов, которые оно использует, и материалов, используемых для его создания, должно обладать двумя фундаментальными свойствами: различимостью и условным изменением государственный, последнее подразумевает первое. Это означает, что такое устройство должно иметь барьеры, позволяющие различать состояния, и что оно должно иметь возможность контролировать эти барьеры для выполнения условный изменение состояния. Например, в цифровой электронной системе транзисторы играют роль таких контролируемых энергетических барьеров, что делает чрезвычайно практичным выполнение с ними вычислений.

Клеточные автоматы

А клеточный автомат (CA) - это дискретная динамическая система состоящий из равномерной (конечной или бесконечной) сетки ячеек. Каждая ячейка может находиться только в одном из конечного числа состояний в дискретный момент времени. По мере продвижения времени состояние каждой ячейки в сетке определяется правилом преобразования, которое учитывает ее предыдущее состояние и состояния соседних ячеек («соседство» ячейки). Самый известный пример клеточного автомата - это Джон Хортон Конвей "s"Игра Жизни ", которую он описал в 1970 году.

Квантовые точки

Источник

Клеточные автоматы обычно реализуются в виде программного обеспечения. Однако в 1993 году Lent et al. предложили физическую реализацию автомата с использованием квантовая точка клетки. Автомат быстро завоевал популярность, и его впервые создали в 1997 году. Пост сочетал в себе дискретную природу как клеточных автоматов, так и квантовая механика, создавать наноразмер устройства, способные выполнять вычисления с очень высокими скоростями переключения (порядка терагерц) и потреблять чрезвычайно малое количество электроэнергии.

Современные клетки

Сегодня стандарт твердое состояние Конструкция ячейки QCA учитывает расстояние между квантовые точки быть около 20 нм, а расстояние между ячейками около 60 нм. Как и любой CA, Quantum (-dot) Cellular Automata основаны на простых правилах взаимодействия между ячейками, размещенными на сетка. Ячейка QCA состоит из четырех квантовых точек, расположенных в форме квадрата. Эти квантовые точки - места, которые электроны могут занимать. туннелирование им.

Дизайн ячейки

Рисунок 2 - Упрощенная диаграмма четырехточечной ячейки QCA.

Рисунок 3 - Два возможных состояния ячейки QCA с четырьмя точками.

На рис. 2 показана упрощенная схема ячейки с квантовыми точками.^[1] Если ячейка заряжена двумя электронами, каждый из которых может свободно туннелировать к любому месту в ячейке, эти электроны будут пытаться занять как можно более удаленное место по отношению друг к другу из-за взаимного электростатическое отталкивание. Следовательно, существуют два различимых состояния клетки. На рисунке 3 показаны два возможных минимальных энергетические состояния ячейки с квантовыми точками. Состояние клетки называется ее поляризация, обозначается как P. Хотя выбран произвольно, с использованием поляризации ячейки P = -1 для представления логика «0» и P = +1 для представления логической «1» стали стандартной практикой.

Провод QCA

Рисунок 4 - Проволока ячеек с квантовыми точками. Обратите внимание, что относительные расстояния между ячейками и точками в ячейке не масштабируются (ячейки намного дальше друг от друга, чем точки внутри ячейки).

Сеточная структура ячеек с квантовыми точками ведет себя таким образом, чтобы допускать вычисления. Простейшее практическое расположение ячеек дается путем размещения ячеек с квантовыми точками последовательно, в сторону друг от друга. На рис. 4 показано такое расположение четырех ячеек с квантовыми точками. Ограничительные рамки на рисунке не представляют физическую реализацию, но показаны как средство для идентификации отдельных ячеек.

Если поляризация любой из ячеек в схеме, показанной на рисунке 4, должна быть изменена («ячейкой драйвера»), остальные ячейки немедленно синхронизируются с новой поляризацией из-за Кулоновские взаимодействия между ними. Таким образом, можно сделать «провод» из ячеек с квантовыми точками, который передает состояние поляризации. Конфигурации таких проводов могут составлять полный набор логические ворота для вычисления.

В QCA возможны два типа проводов: простой двоичный провод, как показано на рисунке 4, и цепь инвертора, которая состоит из размещения 45-градусных перевернутых ячеек QCA рядом.

Логические ворота

Ворота большинства

Затвор большинства и затвор инвертора (НЕ) считаются двумя наиболее фундаментальными строительными блоками QCA. На рисунке 5 показан мажоритарный вентиль с тремя входами и одним выходом. В этой структуре влияние электрического поля каждого входа на выход идентично и аддитивно, в результате чего любое входное состояние («двоичный 0» или «двоичный 1») находится в большинстве, становится состоянием выходной ячейки - следовательно, имя ворот. Например, если входы A и B находятся в состоянии «двоичного 0», а вход C существует в состоянии «двоичной 1», выход будет существовать в состоянии «двоичного 0», поскольку комбинированный эффект электрического поля входов A и B вместе больше, чем вход только C.

Рисунок 5 - Ворота большинства QCA

Другие ворота

Другие типы ворот, а именно И ворота и ИЛИ ворота, может быть построен с использованием мажоритарного затвора с фиксированной поляризацией на одном из его входов. А НЕ ворота, с другой стороны, принципиально отличается от ворот большинства, как показано на рисунке 6. Ключом к этой схеме является то, что вход разделяется, и оба результирующих входа наклонно сталкиваются с выходом. В отличие от ортогонального размещения, эффект электрического поля этой входной структуры вызывает изменение поляризации на выходе.

Обратимый Клеточный автомат с квантовыми точками для сложения и вычитания двух 8-битных регистров^[2]

Рисунок 6 - Стандартная реализация шлюза НЕ. Обратите внимание, что маркировка входных и выходных значений соответствует соглашению, прямо противоположному тому, что используется в остальной части этой статьи.

Состояние перехода

Рисунок 7 - Часы QCA, их этапы и их влияние на энергетические барьеры клетки.

Существует связь между клетками с квантовыми точками и клеточными автоматами. Ячейки могут находиться только в одном из двух состояний, и условное изменение состояния в ячейке продиктовано состоянием ее соседних соседей. Однако метод управления потоком данных необходим для определения направления, в котором происходит переход состояния в ячейках QCA. В часы системы QCA служат двум целям: питание автомата и управление направлением потока данных. Часы QCA - это области из проводящего материала под автоматом. решетка, модулируя электронные туннельные барьеры в ячейках QCA над ним.

Четыре этапа

Часы QCA вызывают четыре стадии в туннельных барьерах ячеек над ними. На первом этапе начинают расти туннельные барьеры. Вторая стадия достигается, когда туннельные барьеры достаточно высоки, чтобы предотвратить туннелирование электронов. Третий этап наступает, когда высокий барьер начинает снижаться. И, наконец, на четвертой стадии туннельные барьеры позволяют электронам снова свободно туннелировать. Проще говоря, когда тактовый сигнал высокий, электроны могут свободно туннелировать. Когда тактовый сигнал низкий, ячейка становится защелкнутый.

На рисунке 7 показан тактовый сигнал с его четырьмя ступенями и влияние на ячейку на каждой тактовой ступени. Типичный дизайн QCA требует четырех тактовых импульсов, каждый из которых циклически сдвинут по фазе на 90 градусов по фазе с предыдущими часами. Если бы горизонтальный провод состоял, скажем, из 8 ячеек, и каждая последовательная пара, начиная слева, должна была быть подключена к каждому последовательному тактовому сигналу, данные, естественно, текли бы слева направо. Первая пара ячеек будет оставаться заблокированной до тех пор, пока вторая пара ячеек не будет заблокирована, и так далее. Таким образом, направление потока данных можно контролировать через зоны часов.

Пересечение проводов

Рисунок 8 - Базовая техника пересечения проводов. Обратите внимание, что это схематично, и расстояния не масштабируются; клетки расположены намного дальше друг от друга, чем точки внутри клеток.

Пересечение проводов в ячейках QCA может быть выполнено с помощью двух разных ориентаций квантовых точек (одна под углом 45 градусов к другой) и позволяя проводу, состоящему из одного типа, проходить перпендикулярно «через» провод другого типа, как схематично показано на Рисунок 8. Расстояния между точками в обоих типах ячеек совершенно одинаковы, что приводит к одинаковым кулоновским взаимодействиям между электронами в каждой ячейке. Однако провода, состоящие из этих двух типов ячеек, различны: один тип распространяет поляризацию без изменений; другой изменяет поляризацию от одной соседней ячейки к другой. Взаимодействие между разными типами проводов в точке пересечения не приводит к общему изменению поляризации ни в одном из проводов, что позволяет сохранять сигналы на обоих проводах.

Проблемы изготовления

Хотя этот метод довольно прост, он представляет собой огромную проблему изготовления. Новый тип структуры ячеек потенциально вдвое увеличивает стоимость изготовления и инфраструктуры; количество возможных местоположений квантовых точек на межстраничный сетка удваивается, и общее усложнение геометрического дизайна неизбежно. Еще одна проблема, которую представляет этот метод, заключается в том, что дополнительное пространство между ячейками одинаковой ориентации уменьшает энергетические барьеры между ячейками. основное состояние и ячейка первая возбужденное состояние. Это ухудшает характеристики устройства с точки зрения максимальной рабочей температуры, устойчивости к энтропия, и скорость переключения.

Перекрестная сеть

Другой метод пересечения проводов, который делает изготовление устройств QCA более практичным, был представлен Кристофер Граунке, Дэвид Уиллер, Дуглас Тугоу и Джеффри Д. Уилл в своей статье «Реализация перекрестной сети с использованием клеточных автоматов с квантовыми точками». В документе не только представлен новый метод реализации пересечения проводов, но и дан новый взгляд на синхронизацию QCA.

Их метод пересечения проводов представляет концепцию реализации устройств QCA, способных выполнять вычисления в зависимости от синхронизация. Это подразумевает возможность изменять функцию устройства через систему синхронизации без внесения каких-либо физических изменений в устройство. Таким образом, заявленная ранее проблема изготовления полностью решается за счет: a) использования только одного типа шаблона квантовых точек и, b) возможности создания универсального строительного блока QCA соответствующей сложности, функция которого определяется только его механизмом синхронизации. (т.е. его часы).

Квазиадиабатический переключение, однако, требует, чтобы туннельные барьеры ячейки переключались относительно медленно по сравнению с внутренней скоростью переключения QCA. Это предотвращает звон и метастабильный состояния, наблюдаемые при резком переключении ячеек. Следовательно, скорость переключения QCA ограничена не временем, которое требуется ячейке для изменения поляризации, а соответствующим квазиадиабатическим временем переключения используемых часов.

Параллельно последовательному

При разработке устройства, способного к вычислениям, часто необходимо преобразовать параллельные линии данных в серийный поток данных. Это преобразование позволяет свести различные фрагменты данных к зависящим от времени сериям значений на одном проводе. На рисунке 9 показано такое устройство QCA с параллельным преобразованием в последовательный. Цифры в заштрихованных областях представляют разные зоны тактирования в последовательных фазах 90 градусов. Обратите внимание на то, что все входы находятся в одной зоне синхронизации. Если бы параллельные данные передавались на входы A, B, C и D, а затем не передавались по крайней мере в течение оставшихся 15 последовательная передача фаз, выход X будет представлять значения D, C, B и A - в этом порядке на фазах три, седьмой, одиннадцатый и пятнадцатый. Если на выходе должна была быть добавлена ​​новая область синхронизации, она могла быть синхронизирована для фиксации значения, соответствующего любому из входов, путем правильного выбора соответствующего периода синхронизации состояния.

Новая область синхронизации с фиксацией будет полностью независимой от других четырех зон синхронизации, показанных на рисунке 9. Например, если значение, представляющее интерес для новой области фиксации, должно быть значением, которое D представляет каждую 16-ю фазу, механизм синхронизации новый регион должен быть настроен для фиксации значения в 4-й фазе и каждой 16-й фазе с этого момента, таким образом, игнорируя все входы, кроме D.

Рисунок 9 - Параллельно-последовательное преобразование.

Дополнительные последовательные линии

Добавление второй последовательной линии к устройству и добавление другой области фиксации позволит зафиксировать два входных значения на двух разных выходах. Для выполнения вычислений добавляется вентиль, который принимает в качестве входов обе последовательные линии на их соответствующих выходах. Затвор размещается над новой областью фиксации, сконфигурированной для обработки данных только тогда, когда обе области фиксации на конце последовательных линий удерживают интересующие значения одновременно. На рисунке 10 показано такое расположение. При правильной настройке каждая из областей фиксации 5 и 6 будет удерживать входные значения, представляющие интерес для области фиксации 7. В этот момент область фиксации 7 позволит значениям, зафиксированным в областях 5 и 6, через логический элемент И, таким образом, выход может быть настроен на быть результатом И для любых двух входов (т.е. R и Q) путем простой настройки областей фиксации 5, 6 и 7.

Это обеспечивает гибкость для реализации 16 функций, не затрагивая физический дизайн. Дополнительные последовательные линии и параллельные входы, очевидно, увеличат количество реализуемых функций. Однако существенным недостатком таких устройств является то, что по мере увеличения количества реализуемых функций требуется все большее количество областей синхронизации. Как следствие, устройство, использующее этот метод реализации функции, может работать значительно медленнее, чем его традиционный аналог.

Рисунок 10 - Многофункциональное устройство контроля качества.

Изготовление

Вообще говоря, существует четыре различных класса реализаций QCA: металлические островки, полупроводники, молекулярные и магнитные.

Металлический остров

Реализация металлического острова была первой технологией производства, созданной для демонстрации концепции QCA. Первоначально он не предназначался для конкуренции с современными технологиями в смысле скорости и практичности, поскольку его структурные свойства не подходят для масштабируемых проектов. Метод состоит в построении квантовых точек с использованием алюминиевых островков. Ранее эксперименты проводились с металлическими островками размером до 1 мкм. Из-за относительно больших размеров островков устройства с металлическими островками должны были поддерживаться при чрезвычайно низких температурах, чтобы можно было наблюдать квантовые эффекты (переключение электронов).

Полупроводник

Полупроводник (или же твердое состояние ) Реализации QCA потенциально могут быть использованы для реализации устройств QCA с такими же высокоразвитыми производство полупроводников процессы, используемые для реализации устройств CMOS. Поляризация клетки кодируется как положение заряда, а взаимодействия квантовых точек зависят от электростатической связи. Однако современные полупроводниковые процессы еще не достигли точки, при которой возможно массовое производство устройств с такими небольшими характеристиками (≈20 нанометров).^{[нужна цитата ]} Серийная литография методы, однако, делают твердотельную реализацию QCA достижимой, но не обязательно практичной. Последовательная литография медленная, дорогая и непригодная для массового производства твердотельных устройств контроля качества. Сегодня большинство экспериментов по прототипированию QCA проводится с использованием этой технологии реализации.^{[нужна цитата ]}

Молекулярный

Предлагаемый, но еще не реализованный метод состоит в создании устройств QCA из отдельных молекул.^[3] Ожидаемые преимущества такого метода: высокосимметричная структура ячейки QCA, очень высокие скорости переключения, чрезвычайно высокая плотность устройств, работа на комнатная температура, и даже возможность серийного производства устройств путем самостоятельной сборки. Ряд технических проблем, включая выбор молекул, разработку надлежащих механизмов взаимодействия и технологию синхронизации, еще предстоит решить, прежде чем этот метод может быть реализован.

Магнитный

Магнитный QCA, обычно называемый MQCA (или QCA: M), основан на взаимодействии между магнитными наночастицы. Вектор намагниченности этих наночастиц аналогичен вектору поляризации во всех других реализациях. В MQCA термин «квант» относится к квантовой природе магнитных обменных взаимодействий, а не к эффектам электронного туннелирования. Созданные таким образом устройства могли работать при комнатной температуре.

Улучшение по сравнению с CMOS

Дополнительный металлооксидный полупроводник Технология (CMOS) была отраслевым стандартом для реализации очень крупномасштабных интегрированных (VLSI) устройств в течение последних четырех десятилетий, в основном из-за последствий миниатюризации таких устройств (то есть увеличения скорости переключения, увеличения сложности и снижения энергопотребления). Квантовые клеточные автоматы (QCA) - лишь одна из многих альтернативных технологий, предлагаемых в качестве решения, заменяющего фундаментальные ограничения, которые КМОП-технология наложит в ближайшие годы.

Хотя QCA устраняет большинство ограничений технологии CMOS, он также приносит свои собственные. Исследования показывают, что собственное время переключения ячейки QCA в лучшем случае составляет порядка терагерц. Однако фактическая скорость может быть намного ниже, порядка мегагерц для твердотельного QCA и гигагерц для молекулярного QCA, из-за правильной настройки частоты переключения квазиадиабатических часов.

Рекомендации

• Дебашис Де, Ситаншу Бхаттачарая и К. П. Гхатак, Квантовые точки и квантовые клеточные автоматы: последние тенденции и приложения, Нова, 2013 г.
• Srivastava, S .; Asthana, A .; Bhanja, S .; Саркар, С., «QCAPro - инструмент оценки мощности ошибки для проектирования схем QCA», в Circuits and Systems (ISCAS), 2011 IEEE International Symposium on, vol., No., Pp. 2377-2380, 15–18 мая 2011 г.
• В.В. Жирнов, Р. Кавин, Дж. Хатчби, Г.И. Bourianoff, «Пределы масштабирования бинарного логического переключателя - модель gedanken», Proc. IEEE, т. 91, стр. 1934 г., ноябрь 2003 г.
• С. Бханджа и С. Саркар, «Вероятностное моделирование цепей QCA с использованием байесовских сетей», IEEE Transactions on Nanotechnology, Vol. 5 (6), с. 657-670, 2006.
• С. Шривастава и С. Бханджа, «Иерархическое вероятностное макромоделирование для цепей QCA», IEEE Transactions on Computers, Vol. 56 (2), стр. 174-190, февраль 2007 г.
• Бет, Т. Слушания. «Квантовые вычисления: введение» Международный симпозиум IEEE 2000 г. по схемам и системам, 2000 г., май 2000 г., с. 735-736 т.1
• Виктор В. Жирнов, Джеймс А. Хатчби, Джордж И. Бурянов и Джо Брюэр «Новые исследовательские логические устройства» Журнал IEEE Circuits & Devices, май 2005 г. с. 4
• Вольфрам, Стивен "Новый вид науки ”, Wolfram Media, май 2002 г., стр. ix (предисловие)
• К.С. Лент, П. Тугоу, В. Пород, Г. Бернштейн, «Квантовые клеточные автоматы» Нанотехнологии, т. 4, 1993 с. 49-57.
• Виктор В. Жирнов, Джеймс А. Хатчби, Джордж И. Бурянов и Джо Брюэр «Новые исследовательские логические устройства» Журнал IEEE Circuits & Devices, май 2005 г. с. 7
• Конрад Валус и Г. А. Джуллиен «Квантово-точные сумматоры клеточных автоматов» Отдел электротехники и компьютеров Eng. Университет Калгари Калгари, AB, Канада стр. 4–6
• С. Хендерсон, Э. Джонсон, Дж. Янулис и Д. Тугоу, «Включение стандартных методологий процесса проектирования КМОП в процесс проектирования логики QCA» IEEE Trans. Нанотехнологии, т. 3, вып. 1, март 2004 г. с. 2–9
• Кристофер Граунке, Дэвид Уиллер, Дуглас Тугоу, Джеффри Д. Уилл. «Внедрение перекрестной сети с использованием клеточных автоматов с квантовыми точками» IEEE Transactions по нанотехнологиям, вып. 4, вып. 4 июля 2005 г. с. 1–6
• G. T´oth и C. S. Lent, "Квазиадиабатическое переключение для клеточных автоматов с квантовыми точками металлического острова", Journal of Applied Physics, vol. 85, нет. 5, 1999 с. 2977–2984
• Г. Тот, К. С. Лент, “Квантовые вычисления с клеточными автоматами с квантовыми точками”, Physics Rev. A, vol. 63, 2000 с. 1–9
• С. Лент, Б. Исаксен, М. Либерман, «Молекулярные клеточные автоматы с квантовыми точками», J. Am. Chem. Soc., Т. 125, 2003 г. с. 1056–1063
• К. Валус, Г. А. Джуллиен, В. С. Димитров, «Компьютерные арифметические структуры для квантовых клеточных автоматов», кафедра электротехники и вычислительной техники. Университет Калгари, Калгари, штат Алабама, Канада с. 1–4
• Руи Чжан, Паллав Гупта и Нирадж К. Джа «Синтез сетей большинства и меньшинства и их приложения к нанотехнологиям на основе QCA, TPL и SET» Труды 18-й Международной конференции по проектированию СБИС, проведенной совместно с 4-й Международной конференцией по проектированию встроенных систем 2005 г. п. 229–234
• Первые опубликованные отчеты, представляющие концепцию квантового автомата:
• Баяну, I. 1971a. «Категории, функторы и теория квантовых автоматов». 4-й Междунар. Конгресс LMPS, август-сентябрь 1971 г .;
• Баяну, I. 1971b. «Органические суперкатегории и качественная динамика систем». Бык. Математика. Biophys., 33 (339-353): http://cogprints.ecs.soton.ac.uk/archive/00003674/01/ORganismic_supercategories_and_qualitative_dynamics_of_systems_final3.pdf.^{[постоянная мертвая ссылка ]}
• Нимье, М. 2004. Проектирование цифровых систем в квантовых клеточных автоматах, Кандидат наук. защитил диссертацию в Университете Нотр-Дам.
• Недавние обновления:
• Квантовые обратимые автоматы: http://cogprints.org/3697/
• Квантовые наноавтоматы.: http://doc.cern.ch/archive/electronic/other/ext/ext-2004-125/Quantumnanoautomata.doc
• Категории квантовых автоматов.: http://fs512.fshn.uiuc.edu/QAuto.pdf.^{[постоянная мертвая ссылка ]}

внешняя ссылка

• [1] - Домашняя страница QCA в Нотр-Даме