موجود است Science directلیست محتویات بر

Optik

www.elsevier.de/ijleoصفحه مجله:

بیتی 4های کد کوانتومی جدید برای مبدلنقطه سلولی خودکار یک ماشین

ب ، پریتا شاران1الف، ، پی سی سریکانثالف رائوناندینی جی

، حسن، کارناتاکا، هندMCE، دانشکده الکترونیک و ارتباطات الف

، بنگالورو، کارناتاکا، هندTOCEدانشکده الکترونیک و ارتباطات، ب

اطالعات مقاله: 2015سپتامبر 9تاریخ دریافت:

2015دسامبر 28تاریخ پذیرش:

کلیدی:کلمات نقطه ماشین خودکار سلولی

کوانتومی

های باینری به خاکستری و مبدل

خاکستری به باینری

QCADابزار

چکیده:ده روش ارائه شاست. CMOSماشین خودکار سلولی نقطه کوانتومی، یک جایگزین نویدبخش به جای فناوری

QCA موقعیت توسط لنت و همکارانش، یک فناوری نوظهور و بدیعی است که رویکرد خالقانه در محاسبات پایش

استفاده از نقطه گذارد. این فناوری به کاربرد تجهیزات منطقی، امکانتک الکترون در مقیاس نانو را به خدمت می

درت تراکم حجمی، قای در ظرفیت و ی فوق العادهتوانای QCAفناوری دهد. کوانتوم بجای ترانزیستورها را ارائه می

ارآمد و ی حاضر، طراحی کسازی شده و سرعت پردازش باال دارد. مقالههای کوچکامکان دستیابی به مداری

، QCAر طراحی های کد مبتنی بر ماشین خودکار سلولی نقطه کوانتومی با استفاده از ابزاآرایش موثری از مبدل

و شبیه سازی های کد باینری به خاکستری و خاکستری به باینریرو برخی از مبدلپژوهش پیشدهد. در ارائه می

ای بین مقایسه است. دراین تحقیق و جستار، ما مطالعه، ارائه شدهQCAدقیق با استفاده از ابزار طراحی کننده

ش پیشنهای به نشان دهیم که رو ایم تا به کمک ابزار تحلیلیهای موجود اخیر انجام دادهطرحطرح پیشنهادی و

مراتب در حجم محاسبات، پیچیدگی، فضای مورد نیاز و زمان پردازش، بهتر و ارجح است.

GmbHانتشار یافته توسط السیویر 2016 ©

مقدمه:. 1سلول QCAاساسی و روش محاسباتی نوظهور است. عنصرگو لا یک (QCA)ماشین خودکار سلولی نقطه خودکار کوانتومی

. دو مطرح است ،های ساختارای همراه با چهار نقطه کوانتومی در گوشهنقطه سیستمیک به عنوان QCA[. 1] باشد میکوانتوم

+919844285954نویسنده ی مکاتبه کننده، تلفن: 1

yahoo.com1srikanthpc@ (P.C. Srikanth)آدرس پست الکترونیک:

http://dx.doi.org/10.1016/j.ijleo.2015.12.119

Optik xxx (2015) xxx-xxx

2

، . نقاط کوانتومی[2] در نظر کرفته شده استه فرد موجود ه ازای هر کدام از نقاط کوانتومی، محدود و منحصر بالکترون آزاد ب

عملیات QCAاند. ساخته شدهه از مواد استاندارد نیمه رسانا همچون سیلیسیوم/سیلیسیوم اکسید ساختارهایی از جنس نانو هستند ک

[.4] رساندها، به انجام میسلولهای مجاور کلومبیک الکترون فعل و انفعاالتهای موجود در مدار را به کمک منطقی و جریان داده

روش سنتی بجای QCA سیستم[. 5و قابلیت اجرا دارد ]نتومی، طراحی شده های کوابرای هر گونه آرایش سلول QCAساختارهای

مسئول [. بنابراین سلول کوانتومی 6کند ]ال استفاده میتدیجی اطالعات شده برای انتقالقطبی، از روش تاثیرات معمولی جریان شارژ

عبارتند از: سه درگاه عمده وردوی، سیم استفاده گردیده است، QCAکه در پایه های بنیادینه بیرون از مدار است. عات بانتقال اطال

[.8، 7و برگرداننده ]

QCAطراح . 2 QCAهای سریع و قوی برای تعیین عملکرد مدارهای سازیبه ابزارهای جانمایی طراحی دقیق و شبیه QCAطراحان مدارهای

دقیق و کاملی از به کمک قدرت خود، یک طرح و ترکیبدهد که سریعاً یی و امکان را میاین توانا QCAابزارهای طراح نیاز دارند.

QCA د تا شبیه سازی دقیق و سریع را مورد اجرا و آزمایش قرار کنمی ک[ و همچنین چندین موتور شبیه سازی کم9آورد ] بدست

آزاد و عمومی است. QCAبزارهای طراحی و شبیه سازی برای ی اسطح دسترسی برا البته. د تا به اطمینان باالتری دست یابدده

در حال حاضر QCA[. طراحی 10، دانشگاه کالگری توسعه و ایجاد شد ]ATIPSهای در ابتدا در آزمایشگاه QCAابزارهای طراحی

کند.مورد نیاز برای طراحی پیچیده مدار، پشتیبانی می CADاز سه موتور مختلف شبیه سازی و بسیاری مشخصات

QCAمعماری . 3

QCAمبانی 3.1

عمده، برگرداننده و سیم. هر های رتند از درگاههای بنیادین آن عبایک سلول کوانتومی است همچنین پایه QCAمبانی اساسی

کند. این دو ها وضعیت حالت بایتری را مشخص میالکترون و دو الکترون آزاد است و مکاندارای چهار نقطه کوانتوم QCAسلول

معنای منطقی P=-1و 1 ، معنای منطقیP=+1با استفاده از قطب . P=-1و P=+1سلول هستند قطبیحالت بیان کننده حالت

(.1[ )شکل 7] گرددکدگذاری می QCAشود. در ادامه اطالعات باینری در بار الکتریکی ترکیب بندی سلول تداعی می 0

QCAسلول 3.2

هاست که دارای الکترون آزاد ساختار مربعی از الکتروننانو یک به نوعی ،(QCA)یک ماشین خودکار سلولی نقطه کوانتومی

تواند د. هر سلول چهار نقطه سلول کوانتوم دارد و آن چهار نقطه سلول در چهار گوشه آن گنجانده شده است. آنگاه سلول میباشمی

Optik xxx (2015) xxx-xxx

3

جا به، جادر طی انتقال ساعتی های مناسب خودها به مکان، الکترونکانیسم ساعتید. با استفاده از متوسط دو الکترون آزاد شارژ شو

دهد.را نشان می QCAهای عمده مورد استفاده رایش زیر، تصویری از درگاهی آ[. نحوه3] گردندمی

هم سلول خروجی است که بر اساس قطبیت عمده سه سلول Mهای ورودی هستند و سلول Cو QCA A ،Bسلول های

اند، سلول خروجی هم به صورت قطبی قطبی شده 1تحت + QCAشود. برای مثال از زمانیکه دو سلول ورودی ورودی، قطبی می

ه ورودی به سلول ورودی سمت چپ اعمال توان برای ساخت سیم استفاده کرد، زمانیکرا می QCAدر خواهد آمد. سلول های 1+

QCAقطبیت سلولی - 1 شکل

درگاه عمده - 2شکل

برگرداننده - 3شکل

QCAسیم - 4شکل

Optik xxx (2015) xxx-xxx

4

اند، آنگاه های درون سیم خنثی و ساکن شدهشوند. زمانیکه تمامی سلولشود، اطالعات باینری از سمت چپ به راست منتشر می

(.4-2قطبیت آنها برابر خواهد بود )شکل

کند ولی از دو نوع سلول سطح از یک الیه استفاده میها است، وجود دارد. معبر هم نهی سیمدو نوع معبر و گذرگاه که برهم

های سیم به این دلیل تقاطعبرای سطح و چند الیهدر اینجا ما از هر دو نوع معبر هم شود.های با قاعده و چرخیده شامل میتحت نام

استفاده در نظر بگیریم، تر به عنوان اجزای اصلی مداربیشهای الیهها را موثر از روی سطوح دیگر عبور دهیم و توانیم تک رشتهکه می

.کنیممی

QCAسیستم ساعتی

–ی مدار قدرت الزم جهت اجراحتی به منظور تهیه بلکه اطالعاتجریان نه تنها بخاطر همگام سازی و کنترل QCAمدارهای

تواند با ذاری میساعت گ QCA. در نیاز به ساعت دارند -ه سلول ها نیستباین دلیل که هیچ منبع خارجی برای قدرات دادن به

ها، کنترل کردن موانع بالقوه مابین نقاط کوانتوم، به سرانجام برسد. با استفاده از طرح ساعت چهار زمانه در کنترل کردن سلول

فاز به همراه چهار QCAو ساعت QCAمناطق ساعتی - 5شکل

Optik xxx (2015) xxx-xxx

5

امه به چهار فاز تقسیم شدهدا رها دو اطالعات روبه جلو درون سلولی، یک طرح منظم زمانبندی شده است. سلول QCAهای فرآیند

مشخص 5همانطور که از شکل باشد. شود، یکسان میق میطای که باعث تاثیرگذاری در تمامی مناطوری که زمینه به شوندمی

(.5شود )شکل چرخه منطقه زمانی در چهار فاز تکرار میباشد، می

ها و سکون کردن سلول ای درونی مابین سلولالکترون همزمان با افزایش تدریجی موانع نقطهزنی یند تونلفاز تعویض، فرآدر

QCA شود. در فاز وقفه، مانع نقطه متمرکز میدر یک ، الکترون درون سلولهمجوارسلول به یکی از حاالت قطبی زمینی تحت تاثیر

شود. زنی انجام دهد، آنگاه سلول به وضعیت قطبی حاضر قفل میدهد که هیچ الکترونی تونلشود و اجازه نمیدر نظر گرفته فعال می

ها قطبیت خود و سلول گردندها رها میو در این صورت الکترونشود ای پایین نگه داشته میدر طی فاز آزادسازی، مانع درون نقطه

توانند تونل بزنند و ها میزادسازی، موانع پایین هستند و الکتروندر طی فاز آ شود.دهند و وضعیت باینری آزاد میرا از دست می

ORو درگاه ANDآرایش درگاه - 6شکل

XORپیاده سازی و نماد گرافیکی درگاه - 7شکل

Optik xxx (2015) xxx-xxx

6

همجوار با شود که در فاز تعویض ی[. حالت قطبی کوانتوم سلول زمانی مشخص م5پراکنده بشوند و حالت سیار به خود بگیرند ]

شود.های همجوار قطبی شده که در فاز تعویض یا وقفه هستند، مشخص میسلول

نتایج شبیه سازی XOR (bآرایش درگاه a) - 8شکل

Optik xxx (2015) xxx-xxx

7

QCAسازی پیاده 3.4

(1)منطق P=+1( و یا 0)منطق P=-1های درگاه عمده که به یکی از ورودیتوسط ثابت کردن قطبیت ORو ANDهای درگاه

.(6شوند )شکل ، تحقق میهستند

1جدول

مدار منطقی برای تبدیل کد باینری به کد خاکستری - 9 شکل

Optik xxx (2015) xxx-xxx

8

نتایج شبیه سازی b)دیل کننده کد باینری به خاکستری تب یب جانماییترک a) – 10شکل

های کددیل کنندهبسازی تپیاده . 4. استمنطقی مورد نیاز دیجیتال برای طراحی مدارهای norو nandجامع های و درگاه ORو ANDهای اصلی همچون درگاه

XORاز مزایای درگاه مذکور یکی شود.تال، استفاده مینیز به منظور طراحی مدارهای دیجی XORها، از درگاه بر این درگاهعالوه

ها همچنین به عنوان درگاه. این باشدمی، و شناسایی اشتباه حساب کننده و مدارهای تصحیحیکاربرد منحصر به فرد آن در عملیات

گیریم. در نظر می XORکد را بر اساس طراحی جدید و نو برگردانندهمدارهای ادامه ما در شود. های دو ورودی، نیز شناخته میدرگاه

نشان داده شده است. ab + ba خروجی=به صورت 7در شکل XORمنطقی درگاه عملیات

این رویکرد به پنج درگاه در ساخته شود. اگرچه NOTو AND ،ORتواند به صورت بدیهی از درگاه بنیادین می XORدرگاه

نانو متر مربع دارد که در مقایسه 9396احت سلول در مس 29د شده تنها پیشنها XOR(. طراحی 8سه نوع مختلف نیاز دارد. )شکل

طرح های ارائه شده بسیار کوچک تر است.با

Optik xxx (2015) xxx-xxx

9

خاکستریکد 4.1

خالف کد باینری، کند. بر ها را توجیه می 0و 1تابع خاکستری که به نام عنوان کد باینری مشهور است، تمامی مقادیر کد

تری زمانی ارزش مهم و گران قدری پیدا سخاککد د ما قبل خود تنها به واسطه یک بیت، اختالف دارد. هر مقدار کد خاکستری با ک

توانند از طریق کدهای بیانری که های خاکستری میتغییرات بیت همزمان با احتمال به اشتباه منجر شود. کدکند که چندین می

خاکستری به طور گسترده در تشخیص و اصالح اشتباهات در ارتباطالت حاسبه شود. کدهای یک بیت کمتر از کد ارائه شده دارند، م

منطقی و جدول وقایع برای تبدیل کد های تلویزیونی کاربرد دارد. مدار تلوزیون دیجیتال زمینی و برخی سیستمدیجیتال همچون

بیتی به کد خاکستری و 4تبدیل کننده کد باینری QCAارائه شده است. جانمایی 1بیتی به کد خاکستری در جدول 4باینری

ارائه شده است. 1نتایج شبیه سازی آن در شکل

نتایج شبیه سازی b)جانمایی ترکیب تبیدل کننده کد خاکستری به باینری a) – 11شکل

Optik xxx (2015) xxx-xxx

10

کننده کد خاکستری به کد باینریتبدیل 4.2

نشان داده شده است. 11برای تبدیل کننده کد خاکستری به باینری در شکل QCAجانمایی و شبیه سازی نتایج ، منطقیمدار

ی طرح پیشنهاد شده با طرح های موجود اخیرقیاسه مطالع. 5شایان نکته اینری به خاکستری را طراحای کردیم. بیتی خاکستری به باینری و ب 4کد های تبدیل کننده های این پژوهش ما در

تاخیرات و پارامترهایی همچون مساحت، بهره وری و توجه و حاز اهمیت که در این تحقیق به صورت نو و تازه ارائه شده است،

شنهادی می بینیمف بسیار در مقایسه با طرح موجود، حجم کمتری از سلول را به خود است که زمانی که آنها در طرح پی پیچیدگی

1و نمودار 2مقایسه ای بین طرح های موجود و طرح پیشنهادی انجام گردید و نتیجه آن در جدول ن اختصاص داده است. همچنی

به وضوح نمایش داده شده است.

2جدول

هار اساس تعدا سلولبنمودار قیاسی -1نمودار

Optik xxx (2015) xxx-xxx

11

گیرینتیجه . 6، ارائه کد QCA هایکنندهرا صحبت کردیم و طرح کارآمد و مفیدی از تبدیل QCAهای بنیادین ما فرض این پژوهش،در

را مهیا های کدکنندهنتایج شبیه سازی شده تبدیلطرح و جانمایی و QCA بدیع و نو حاضر با استفاده از مدارهای. تحقیق نمودیم

است، شبیه سازی QCAطراحی کننده که همان QCAشبیه سازی ابزار سازی و به کارگیری از مدارها با استفاده از . پیادهکرده است

های پیشین اساس حجم سلول اشغال کرده، مساحت مورد استفاده، بسیار نسبت به طرحطرح پیشنهادی بر گردیده است. همچنین

از . استفاده باشدمیاندازی و شبیه سازی بسیار کم عمده و اصلی روش حاضر، نیاز به زمان راهتر است. مزیت ورخود کارآمدتر و بهره

دستاوردهای بزرگی همچون کوچک سازی و سرعت پردازش شود که به مدارهای دیجیتال، سبب مینقاط کوانتومی برای پیاده سازی

بسیار باال دست یافت.

منابع:[1] Kim Kyosun, Kaijie Wu, Ramesh Karri, The robust QCA adder designs using com-posable QCA

building blocks, IEEE Trans. Comput. Aided Des. Integr. CircuitsSyst. 26 (1) (2007) 176–183.

[2] Kunal Das, Debashis De, Characterization, test and logic synthesis of novelconservative and reversible

logic gates for QCA, Int. J. Nanosci. 9 (3) (2010)201–214.

[3] K. Walus, G. Jullien, Design tools for an emerging soc technology: quantum-dotcellular automata, IEEE

Proc. 94 (6) (2006) 1225–1244.

[4] P. Ilancheshian, R.M.S. Parvathi, Nanotechnology based effective designapproach for code converter

circuits using QCA, Int. J. Comput. Appl. 69 (8 Q6(May)) (2013) (0975-8887).

[5] Kodam F. Latha, M. Nanda Maharshi, Design of adders using QCA, IJAET 6 (4)(2013) 1750–1759.

[6] Dehghan Bahram, Ali Asghar Baziar, Optimized methodology for realizationof logic circuits using

QCA gates, Int. J. Adv. Res. Comput. Softw. Engineer. 3(March) (2013).

[7] Ahmad Firdous, G.M. Bhat, Novel code converters based on quantum – dotcellular automata (QCA),

Int. J. Sci. Res. 3 (May) (2014).

[8] A. Pallavi, N. Moorthy Muthukrishnan, Implementation of code converters inQCAD, Int. J. Sci. Res.

Dev. 2 (06) (2014).

Optik xxx (2015) xxx-xxx

12

[9] C.S. Lent, P.D. Tougaw, W.D. Porod, G.H. Bernstein, Quantum cellular automata,Nanotechnology 4

(1) (1993) 49–57.

[10] Namit Gupta, Shantanu Shrivastava, Nilesh Patidar, Sumant Katiyal, K.K. Choud-hary, Design of one

bit