Quantum-dot Cellular Automata 회로로부터 디지털 논리 추출

오연보(Younbo Oh),이은철(Eunchoul Lee),김교선(Kyosun Kim) 대한전기학회 2006 대한전기학회 학술대회 논문집 Vol.2006 No.10

Quantum-dot Cellular Automata (QCA) is one of the most promising next generation nano-electronic devices which will inherit the throne of CMOS which is the domineering implementation technology of large scale low power digital systems. In late 1990s, the basic operations of the QCA cell were already demonstrated on a hardware implementation. Also, design tools and simulators were developed. Nevertheless, its design technology is not quite ready for ultra large scale designs. This paper proposes a new approach which enables the QCA designs to inherit the verification methodologies and tools of CMOS designs, as well. First, a set of disciplinary rules strictly restrict the cell arrangement not to deviate from the predefined structures but to guarantee the deterministic digital behaviors. After the gate and interconnect structures of the QCA design are identified, the signal integrity requirements including the input path balancing of majority gales, and the prevention of the noise amplification are checked. And then the digital logic is extracted and stored in the OpenAccess common engineering database which provides a connection to a large pool of CMOS design verification tools. Towards validating the proposed approach, we designed a 2-bit QCA adder. The digital logic is extracted. translated into the Veri log net list. and then simulated using a commercial software.

기반기술 : QCA 기반의 효율적인 PCA 구조 설계

신상호 ( Sang Ho Shin ),이길제 ( Gil Je Lee ),유기영 ( Kee Young Yoo ) 한국항행학회 2014 韓國航行學會論文誌 Vol.18 No.2

PCA에 기반을 둔 CMOS 소자 기술은 메모리 혹은 ALU 회로의 구현에 매우 효율적이다. 그러나 CMOS 소자 스케일링 기술의 한계로 인하여 이를 해결할 수 있는 새로운 기술의 필요성이 대두되었고, 양자점 셀룰러 오토마타(QCA; quantum-dot cellular automata)는 이를 해결할 수 있는 기술로 등장했다. 본 논문에서는 QCA에 기반을 둔 효율적인 PCA 구조를 설계한다. 설계하는 PCA 구조에서의 D 플립플롭과 XOR 논리게이트는 기존에 제안되었던 회로를 사용하고, 입력 제어 스위치와 규칙 제어 스위치는 QCA에 기반을 두고 새롭게 설계한다. 설계된 PCA 구조는 QCA디자이너를 이용하여 시뮬레이션을 수행하고, 그 결과를 기존의 것과 비교 및 분석하여 설계된 구조의 효율성을 확인한다. CMOS technology based on PCA is very efficient at an implementation of memory or ALU. However, there has been a growing interest in quantum-dot cellular automata (QCA) because of the limitation of CMOS scaling. In this paper, we propose a design of PCA architecture based on QCA. In the proposed PCA design, we utilize D flip-flop and XOR logic gate without wire crossing technique, and design a input and rule control switches. In experiment, we perform the simulation of the proposed PCA architecture by QCADesigner. As the result, we confirm the efficiency the proposed architecture.

기반 기술 : 확장성을 고려한 QCA BCD-3초과 코드 변환기 설계

유영원 ( Young Won You ),전준철 ( Jun Cheol Jeon ) 한국항행학회 2016 韓國航行學會論文誌 Vol.20 No.1

양자점 셀룰라 오토마타 (QCA; quantum-dot cellular automata)는 나노 규모의 크기와 낮은 전력 소비로 각광받고 있으며, CMOS 기술의 규모의 한계를 극복할 수 있는 대체 기술로 떠오르고 있다. 현재까지 QCA상에서 설계된 BCD-3초과 코드는 확장성을 고려하지 않았으며 대규모 회로 설계에는 적합하지 않았다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 확장성을 고려한 BCD-3초과 코드 회로를 설계한다. 확장이 가능한 구조를 설계하기 위해 확장된 교차부 구조를 이용하여 입력과 출력의 흐름을 제어하고, 출력되는 값들의 동기화를 위해 5입력 다수결 게이트를 이용한다. 설계한 구조에 대해 QCADesigner를 이용하여 시뮬레이션을 수행한 후 그 결과에 대해 유효성을 검증한다. 제안된 구조는 기존의 URG BCD-3초과 코드변환기와 비교하여 32개의 게이트를 줄이며 빈 공간의 비율 또한 7% 감소시켰다. 또한 확장성이 고려되지 않은 기존의 QCA BCD-3초과 코드 변환기가 회로 확장 시 필요한 7개의 클럭을 1개의 클럭으로 줄였다. Quantum-dot cellular automata (QCA) consists of nano-scale cells and demands very low power consumption so that it is one of the alternative technologies that can overcome the limits of scaling CMOS technologies. Typical BCD-EXCESS 3 code converters using QCA have not considered the scalability so that the architectures are not suitable for a large scale circuit design. Thus, we design a BCD-EXCESS 3 code converter with scalability using QCADesigner and verify the effectiveness by simulation. Our structure have reduced 32 gates and 7% of garbage space rate compare with typical URG BCD-EXCESS 3 code converter. Also, 1 clock is only needed for circuit expansion of our structure though typical QCA BCD-EXCESS 3 code converter demands 7 clocks.

Design of GPCA Structure Based on Quantum-Dot Cellular Automata

Sang-Ho Shin,Young-Won Yoo,Ju-Hee Park,Jun-Cheol Jeon 한국정보통신학회 2014 2016 INTERNATIONAL CONFERENCE Vol.6 No.1

In this paper, we propose a design of general programmable cellular automata(GPCA) structure based on quantum-dot cellular automata(QCA). In the proposed GPCA structure, we utilize the previous D flip-flop and XOR logic gate, and propose wire connecting logic and rule control logic for the first time. In experiment, we simulate the GPCA design by using QCADesigner, compare and analyze the simulation result in order to evaluate the efficiency of the proposed GPCA structure.

Design of Low Hardware Complexity Multiplexer Using NAND Gates on Quantum-Dot Cellular Automata

Jin-Seong Lee,Jun-Cheol Jeon 보안공학연구지원센터 2016 International Journal of Multimedia and Ubiquitous Vol.11 No.12

This paper presents a 2-to-1 multiplexer based on quantum-dot cellular automata(QCA) with low hardware complexity. A QCA is the computing with cellular automata composed of arrays of quantum-dot devices. We propose a novel 2-to-1 multiplexer using three NAND gates in QCA. We focus on reducing a hardware complexity and minimizing a wasted cell. In order to the implementation of the 2-to-1 multiplexer, we use a new equation using De Morgan’s law. Our new architecture also can increase the speed with clock phase.

QCA 클록킹 방식의 D 플립플롭을 이용한 프로그램 가능한 양자점 셀 구조의 설계

신상호(Sang-Ho Shin),전준철(Jun-Cheol Jeon) 한국산업정보학회 2014 한국산업정보학회논문지 Vol.19 No.6

본 논문에서는 QCA(quantum-dot cellular automata) 클록킹(clocking) 방식의 D 플립플롭의 구조를 제안하고, 이를 이용하여 프로그램 가능한 양자점 셀(programmable quantum-dot cell: QPCA) 구조를 설계한다. 기존의 QCA 상에서 제안된 D 플립플롭은 클록 펄스의 신호로 동작을 수행하기 때문에 이에 대한 입력 값을 임의로 설정해야 하고, QCA 클록킹과 중복되어 사용하기 때문에 낭비되는 출력 값들이 존재했다. 이러한 단점을 개선하기 위해서 이진 배선과 클록킹 기법을 이용하여 새로운 형태의 D 플립플롭을 제안하고, 이를 이용하여 QPCA 구조를 설계한다. 이 구조는 입력을 제어하는 배선 제어 회로, 규칙 제어 회로, D 플립플롭, 그리고 XOR 논리 게이트로 구성된다. 설계된 QPCA 구조는 QCADesigner를 이용하여 시뮬레이션을 수행하고, 그 결과를 기존의 D 플립플롭을 이용하여 설계한 것과 비교·분석하여 효율성을 확인한다. In this paper, we propose a D flip-flop based on quantum-dot cellular automata(QCA) clocking and design a programmable quantum-dot cell(QPCA) structure using the proposed D flip-flop. Previous D flip-flops on QCA are that input should be set to an arbitrary value, and wasted output values exist because it was utilized to duplicate by clock pulse and QCA clocking. In order to eliminate these defects, we propose a D flip-flop structure using binary wire and clocking technique on QCA. QPCA structure consists of wire control logic, rule control logic, D flip-flop and XOR logic gate. In experiment, we perform the simulation of QPCA structure using QCADesigner. As the result, we confirm the efficiency of the proposed structure.

QCA 설계에서 디지털 논리 자동 추출

오연보(Younbo Oh),김교선(Kyosun Kim) 대한전자공학회 2009 電子工學會論文誌-SD (Semiconductor and devices) Vol.46 No.1

QCA는 현재 초고집적 저전력 디지털 시스템 구현 기술의 왕좌를 차지하고 있는 CMOS의 자리를 상속받을 가장 장래성 있는 차세대 나노 전자 소자 중 하나이다. QCA 셀의 하드웨어 기본 동작은 이미 1990년대 후반에 실험을 통하여 증명되었다. 또한 회로를 설계할 수 있는 전용설계 도구와 시뮬레이터도 개발되었다. 그러나 기존의 QCA 설계 기술은 초대규모 설계에 대한 준비가 부족하다. 본 논문은 기존의 대규모 CMOS 설계에서 사용되었던 검증 방법들과 도구를 QCA 설계에서 그대로 활용할 수 있는 새로운 접근 방법을 제시한다. 첫째로 셀 배치를 미리 정의된 구조에서 벗어나지 않도록 엄격하게 제한함으로써 항상 일관성 있는 디지털 동작을 보장하는 설계 규칙을 제안한다. 다음, QCA 설계의 게이트 및 상호연결 구조를 인식한 후 다수결 게이트의 입력 경로 균형과 잡음 증폭 방지 등을 포함하는 신호 충실도 보장 조건을 검사한다. 마지막으로 디지털 논리를 추출하여 OpenAccess 공통 데이터베이스로 저장하면 이미 CMOS 설계에서 사용되고 있는 풍부한 검증 툴과 연결되어 그들을 사용할 수 있게 된다. 제안된 방식을 검증하기 위해 2-비트 가산기 및 비트-직렬 가산기, 그리고 ALU 비트 슬라이스를 설계하였다. 디지털 논리를 추출하여 Verilog 넷 리스트를 생성시킨 후 상업용 소프트웨어로 시뮬레이션 하였다. Quantum-dot Cellular Automata (QCA) is one of the most promising next generation nanoelectronic devices which will inherit the throne of CMOS which is the domineering implementation technology for large scale low power digital systems. In late 1990s, the basic operations of the QCA cell were already demonstrated on a hardware implementation. Also, design tools and simulators were developed. Nevertheless, its design technology is not quite ready for ultra large scale designs. This paper proposes a new approach which enables the QCA designs to inherit the verification methodologies and tools of CMOS designs, as well. First, a set of disciplinary rules strictly restrict the cell arrangement not to deviate from the predefined structures but to guarantee the deterministic digital behaviors is proposed. After the gate and interconnect structures of the QCA design are identified, the signal integrity requirements including the input path balancing of majority gates, and the prevention of the noise amplification are checked. And then the digital logic is extracted and stored in the OpenAccess common engineering database which provides a connection to a large pool of CMOS design verification tools. Towards validating the proposed approach, we designed a 2-bit adder, a bit-serial adder, and an ALU bit-slice. For each design, the digital logic is extracted, translated into the Verilog net list, and then simulated using a commercial software.

XOR 게이트를 이용한 다층구조의 QCA 반가산기 설계

남지현,전준철 사단법인 인문사회과학기술융합학회 2017 예술인문사회융합멀티미디어논문지 Vol.7 No.3

Quantum-dot cellular automata(QCA) is a computing model designed to be similar to cellular automata, and an alternative technology for next generation using high performance and low power consumption. QCA is undergoing various studies with recent experimental results, and it is one of the paradigms of transistors that can solve device density and interconnection problems as nano-unit materials. An XOR gate is a gate that operates so that the result is true when either one of the logic is true. The proposed XOR gate consists of five layers. The first layer consists of OR gates, the third and fifth layers consist of AND gates, and the second and fourth layers are designed as passages in the middle. The half adder consists of an XOR gate and an AND gate. The proposed half adder is designed by adding two cells to the proposed XOR gate. The proposed half adder consists of fewer cells, total area, and clock than the conventional half adder. 양자점 셀룰라 오토마타(QCA: quantum-dot cellular automata)는 셀룰라 오토마타와 유사하게 고안된 컴퓨팅 모델이며, 빠른 연산속도와 적은 전력손실로 차세대의 각광받는 기술도 떠오르고 있다. QCA는 최근 실험 결과와 함께 다양한 연구가 진행되고 있으며 나노 단위 소재로서 디바이스 밀도 및 상호 연결 문제를 해결할 수 있는 트랜지스터의 패러다임 중 하나이다. XOR(exclusive or) 게이트는 논리의 둘 중 하나가 참일 때 결과가 참이 되도록 작동하는 게이트이다. 제안하는 XOR 게이트는 5개의 층으로 구성되어 있다. 첫 번째 층은 OR 게이트, 세 번째 층과 다섯 번째 층은 AND 게이트로 구성되어 있고 중간에 두 번째 층과 네 번째 층은 통로로 구성하여 설계한다. 반가산기는 XOR 게이트와 AND 게이트로 이루어져 있다. 제안한 반가산기는 제안하는 XOR 게이트에서 셀 두 개를 추가하여 설계한다. 제안한 반가산기는 기존의 반가산기에 비해 보다 적은 수의 셀, 전체 면적, 그리고 클럭으로 구성한다.

Design and Optimization of Full Comparator Based on Quantum-Dot Cellular Automata

Mohsen Hayati,Abbas Rezaei 한국전자통신연구원 2012 ETRI Journal Vol.34 No.2

Quantum-dot cellular automata (QCA) is one of the few alternative computing platforms that has the potential to be a promising technology because of higher speed, smaller size, and lower power consumption in comparison with CMOS technology. This letter proposes an optimized full comparator for implementation in QCA. The proposed design is compared with previous works in terms of complexity, area, and delay. In comparison with the best previous full comparator, our design has 64% and 85% improvement in cell count and area, respectively. Also, it is implemented with only one clock cycle. The obtained results show that our full comparator is more efficient in terms of cell count, complexity, area, and delay compared to the previous designs. Therefore, this structure can be simply used in designing QCA-based circuits.

Ultradense 2-to-4 decoder in quantum-dot cellular automata technology based on MV32 gate

Abbasizadeh, Akram,Mosleh, Mohammad Electronics and Telecommunications Research Instit 2020 ETRI Journal Vol.42 No.6

Quantum-dot cellular automata (QCA) is an alternative complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology that is used to implement high-speed logical circuits at the atomic or molecular scale. In this study, an optimal 2-to-4 decoder in QCA is presented. The proposed QCA decoder is designed using a new formulation based on the MV32 gate. Notably, the MV32 gate has three inputs and two outputs, which is equivalent two 3-input majority gates, and operates based on cellular interactions. A multilayer design is suggested for the proposed decoder. Subsequently, a new and efficient 3-to-8 QCA decoder architecture is presented using the proposed 2-to-4 QCA decoder. The simulation results of the QCADesigner 2.0.3 software show that the proposed decoders perform well. Comparisons show that the proposed 2-to-4 QCA decoder is superior to the previously proposed ones in terms of cell count, occupied area, and delay.