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基于量子元胞自动机的n位全加器设计
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作者 张辉 解光军 张永强 《电子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期626-632,共7页
量子元胞自动机(Quantum-dot Cellular Automata,QCA)以其功耗低、纳米级设计、运算速度高等特点被认为是一门新兴技术,在不久的将来有望取代CMOS工艺,用于量子计算机的电路设计.近年来,在QCA电路中有很多使用三输入择多门(M3)和三输入... 量子元胞自动机(Quantum-dot Cellular Automata,QCA)以其功耗低、纳米级设计、运算速度高等特点被认为是一门新兴技术,在不久的将来有望取代CMOS工艺,用于量子计算机的电路设计.近年来,在QCA电路中有很多使用三输入择多门(M3)和三输入异或门(XOR^(3))设计的全加器(Full Adder,FA).本文以这两种逻辑门为基础,结合QCA电路特有的时钟特点,设计了三种新型的n位全加器(FA1,FA2,FA3).FA1只使用了一个1位全加器,它的元胞的数量和电路面积比已发表的8位全加器至少减少了78%和90%,但一个时钟周期只能完成1位计算,延迟较大;FA2的元胞的数量和电路面积比已发表的8位全加器至少减少了47%和63%,可以在一个时钟周期内完成2位计算;FA3在一个时钟周期内可以进行4位计算,延迟最小.FA1、FA2和FA3作为n位全加器,随着全加器位数的增加,它们的元胞的数量和电路面积是不会改变的,这是以往设计所不能实现的. 展开更多
关键词 量子元胞自动机 全加器 三输入择多门 三输入异或门 时钟延迟
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Quantum legitimacy of reversible gate and a new design of multiplier based on R gate
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作者 葛庭宇 张廷桂 黄晓芬 《Chinese Physics B》 SCIE EI CAS CSCD 2020年第5期101-106,共6页
Quantum full adders play a key role in the design of quantum computers.The efficiency of a quantum adder directly determines the speed of the quantum computer,and its complexity is closely related to the difficulty an... Quantum full adders play a key role in the design of quantum computers.The efficiency of a quantum adder directly determines the speed of the quantum computer,and its complexity is closely related to the difficulty and the cost of building a quantum computer.The existed full adder based on R gate is a great design but it is not suitable to construct a quantum multiplier.We show the quantum legitimacy of some common reversible gates,then use R gate to propose a new design of a quantum full adder.We utilize the new designed quantum full adder to optimize the quantum multiplier which is based on R gate.It is shown that the new designed one can be optimized by a local optimization rule so that it will have lower quantum cost than before. 展开更多
关键词 reversible gate quantum full adder quantum multiplier
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Defect and Temperature Effects on Complex Quantum-Dot Cellular Automata Devices
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作者 Mahfuza Khatun Benjamin D. Padgett +2 位作者 Gabriel A. Anduwan Ioan Sturzu Douglas Tougaw 《Journal of Applied Mathematics and Physics》 2013年第3期7-15,共9页
The authors present an analysis of the fault tolerant properties and the effects of temperature on an exclusive OR (XOR) gate and a full adder device implemented using quantum-dot cellular automata (QCA) structures. A... The authors present an analysis of the fault tolerant properties and the effects of temperature on an exclusive OR (XOR) gate and a full adder device implemented using quantum-dot cellular automata (QCA) structures. A Hubbard-type Hamiltonian and the Inter-cellular Hartree approximation have been used for modeling, and a uniform random distribution has been implemented for the simulated dot displacements within cells. We have shown characteristic features of all four possible input configurations for the XOR device. The device performance degrades significantly as the magnitude of defects and the temperature increase. Our results show that the fault-tolerant characteristics of an XOR device are highly dependent on the input configurations. The input signal that travels through the wire crossing (also called a crossover) in the central part of the device weakens the signal significantly. The presence of multiple wire crossings in the full adder design has a major impact on the functionality of the device. Even at absolute zero temperature, the effect of the dot displacement defect is very significant. We have observed that the breakdown characteristic is much more pronounced in the full adder than in any other devices under investigation. 展开更多
关键词 quantum-DOT Cellular AUTOMATA Thermal Effect XOR full adder FAULT-TOLERANT
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超导单磁通量子数字电路的全加器设计与应用探索
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作者 杨若婷 任洁 +1 位作者 高小平 王镇 《电子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第2期307-313,共7页
随着超导单磁通量子(Single Flux Quantum,SFQ)数字电路的集成度规模不断提升,基于SFQ标准单元库及知识产权(Intellectual Property,IP)电路的设计将会逐渐取代原有的专用定制化数字电路设计的方式.与此同时,IP电路也可以作为新设计方... 随着超导单磁通量子(Single Flux Quantum,SFQ)数字电路的集成度规模不断提升,基于SFQ标准单元库及知识产权(Intellectual Property,IP)电路的设计将会逐渐取代原有的专用定制化数字电路设计的方式.与此同时,IP电路也可以作为新设计方法研究和新工艺及单元库可靠性的验证电路.本文选择大规模数字电路中的基础运算单元全加器为研究对象,希望能在尚在开发中的工艺下得到一个更加稳定工作和完整测试功能的全加器.本文基于自研SIMIT Nb03工艺上开发的SFQ单元库,设计了两种类型的全加器,且实现了全加器逻辑功能和工作性能的低频与高频测试表征.本文的第二种单级型全加器跟同类型的其他全加器相比,在保证了结数量和面积消耗偏小的优势下,又减少了设计难度和便于灵活扩展,使得其在电路IP化使用中也具有指导意义.低频测试结果表明,两种全加器均正确工作,其中单级型全加器具备良好的工作阈值.该款全加器的高频测试显示电路最高工作频率可达22 GHz.本文对测试结果进行详细分析,并基于此针对大规模电路实现开展简单应用探索. 展开更多
关键词 超导数字电路 单磁通量子电路 知识产权电路 自研工艺 全加器
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量子全加器设计 被引量:3
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作者 常丽 朱宇祥 蒋辉 《电子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第9期1863-1867,共5页
量子全加器是量子计算机的基本单元,为了减少能耗,降低构造成本及物理实现难度,本文提出一种新型 n 位量子全加器,使用 3n 个CNOT(Controlled NOT)门和 2n -1个Toffoli门实现 n 位量子加减法,采用超前进位方式,不含进位输入,通过最高溢... 量子全加器是量子计算机的基本单元,为了减少能耗,降低构造成本及物理实现难度,本文提出一种新型 n 位量子全加器,使用 3n 个CNOT(Controlled NOT)门和 2n -1个Toffoli门实现 n 位量子加减法,采用超前进位方式,不含进位输入,通过最高溢出标志位判断加法的进位和减法的正负号,标志位不参与高低位计算,不增加电路延时,适合 n 位量子并行计算.随机生成4、8、16和32位数分别进行加减仿真操作,验证了全加器的正确性.该全加器量子代价较低,结构简单,有利于提高集成电路规模和集成度. 展开更多
关键词 可逆逻辑电路 量子全加器 超前进位 量子代价 电路能耗 量子计算机
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基于量子细胞自动机的全加器实现 被引量:10
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作者 王森 蔡理 郭律 《固体电子学研究与进展》 CAS CSCD 北大核心 2005年第2期148-151,共4页
基于量子细胞自动机的双稳态特性和数字电路,设计了异或门和加法器,采用半经典仿真方法对其进行了仿真,并与Tougaw等人设计的异或门和全加器进行了比较,结果显示在能实现同样的异或和加法功能的情况下,电路结构较为简单且使用的QCA数目... 基于量子细胞自动机的双稳态特性和数字电路,设计了异或门和加法器,采用半经典仿真方法对其进行了仿真,并与Tougaw等人设计的异或门和全加器进行了比较,结果显示在能实现同样的异或和加法功能的情况下,电路结构较为简单且使用的QCA数目大大减少,在规模上只有Tougaw设计的电路的一半左右,这对于减小以后设计的更复杂电路的规模有较大的借鉴意义。 展开更多
关键词 量子细胞自动机 异或门 全加器 半经典仿真方法
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量子全加法器的修改和算法研究(英文) 被引量:1
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作者 郭良 王利光 +1 位作者 TERENCE K S W TSUKADA M 《黑龙江大学自然科学学报》 CAS 北大核心 2007年第2期207-210,共4页
通过与经典全加器的基本模型进行比较后,讨论了一个改进后的量子平面加法器的基本构型.对其原理、组件和算法进行了研究,比较了本加法器两个主要组件与一般量子加法器的不同.作为应用的例,设计了一个n比特量子全加法器的模型,对其具体... 通过与经典全加器的基本模型进行比较后,讨论了一个改进后的量子平面加法器的基本构型.对其原理、组件和算法进行了研究,比较了本加法器两个主要组件与一般量子加法器的不同.作为应用的例,设计了一个n比特量子全加法器的模型,对其具体运算过程和基本功能进行了说明. 展开更多
关键词 量子比特 量子进位 量子全加器 量子网络
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基于改进五输入择多门的QCA全加器设计及应用 被引量:3
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作者 刘帅 解光军 +2 位作者 张永强 项云龙 吕洪君 《电子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第2期387-392,共6页
量子元胞自动机(Quantum-dot cellular automata,QCA)是一种新兴的纳米技术.本文基于改进的五输入择多门,设计出一个全加器,在保持正确逻辑功能的基础上较以往的全加器有一定优势.应用该全加器设计加法器和乘法器,结果表明在某些性能上... 量子元胞自动机(Quantum-dot cellular automata,QCA)是一种新兴的纳米技术.本文基于改进的五输入择多门,设计出一个全加器,在保持正确逻辑功能的基础上较以往的全加器有一定优势.应用该全加器设计加法器和乘法器,结果表明在某些性能上有显著提高. 展开更多
关键词 量子元胞自动机 五输入择多门 全加器 加法器 乘法器
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量子元胞自动机全加器的性能分析与设计
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作者 孙梦博 吕洪君 +1 位作者 张永强 解光军 《电子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第7期1774-1780,共7页
作为一种新型的纳米器件,量子元胞自动机(Quantum-dot cellular automata,QCA)有望取代传统CMOS器件.本文总结了目前已提出的三种全加器(Full Adder,FA)架构,通过概率转移矩阵(Probabilistic Transfer Matrix,PTM)分析找出其中最稳定的... 作为一种新型的纳米器件,量子元胞自动机(Quantum-dot cellular automata,QCA)有望取代传统CMOS器件.本文总结了目前已提出的三种全加器(Full Adder,FA)架构,通过概率转移矩阵(Probabilistic Transfer Matrix,PTM)分析找出其中最稳定的架构,进一步地,利用这三种全加器分别构建串行加法器,并从复杂度、不可逆功耗、成本等方面进行比较,结果发现性能最优的全加器架构为MR Azghadi FA.随后,选择该架构提出了一种针对全加器的新型逻辑门和共面QCA全加器电路,并应用此全加器设计了多位串行加法器,经对比分析表明,本文所提出的全加器电路在面积、元胞数和功耗等方面均有较大改进,且具有很好的扩展性. 展开更多
关键词 量子元胞自动机 全加器 可靠性 概率转移矩阵
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两点量子元胞自动机全加器电路设计
10
作者 汪志春 蔡理 +1 位作者 杨晓阔 王森 《空军工程大学学报(自然科学版)》 CSCD 北大核心 2014年第5期84-87,共4页
针对两点量子元胞自动机在信号沿竖直方向进行取反操作时元胞容易发生翻转的问题,提出了一种将信号沿竖直方向的取反操作转移到水平方向的方法,并将此方法运用到两点量子元胞自动机的异或门结构以及基于此异或门结构的全加器电路的设计... 针对两点量子元胞自动机在信号沿竖直方向进行取反操作时元胞容易发生翻转的问题,提出了一种将信号沿竖直方向的取反操作转移到水平方向的方法,并将此方法运用到两点量子元胞自动机的异或门结构以及基于此异或门结构的全加器电路的设计。利用遗传模拟退火算法对电路功能进行了仿真,仿真结果验证了该方法的可行性和正确性。与利用传统四点量子元胞自动机设计的全加器电路相比,文中设计的全加器电路所需的电子数和量子点数均减少了25%,电路集成度提高了6.2%。" 展开更多
关键词 两点量子元胞自动机 逻辑门 反相器 全加器 半经典模型 遗传模拟退火法
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基于QCA的五输入Majority门设计及应用 被引量:1
11
作者 李俊文 夏银水 《电子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第2期404-409,共6页
Majority门作为多数逻辑电路的基本逻辑单元,其性能直接影响整体电路的质量.使用量子元胞自动机(QCA)设计Majority门具有结构简单的优点.本文提出了一种三层电路实现五输入Majority门的设计,并以此设计了全加器,进一步应用于多位加法器... Majority门作为多数逻辑电路的基本逻辑单元,其性能直接影响整体电路的质量.使用量子元胞自动机(QCA)设计Majority门具有结构简单的优点.本文提出了一种三层电路实现五输入Majority门的设计,并以此设计了全加器,进一步应用于多位加法器和乘法器中,与已发表的电路设计比较表明,其版图使用面积和元胞数有明显的减少,加法器元胞数和面积改进最高可达43%和87. 2%,乘法器元胞数和面积改进最高可达48. 2%和100%. 展开更多
关键词 量子元胞自动机 多电路层设计 五输入Majority门 全加器 乘法器
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量子元胞自动机共面五输入择多门结构的分析与设计
12
作者 邓飞飞 解光军 +2 位作者 王晓旸 程心 张永强 《电子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第5期861-869,共9页
量子元胞自动机(Quantum-dot Cellular Automata,QCA)是一种具有新型计算范式的纳米器件,它是未来有望替代传统CMOS器件的有力竞争者之一.本文首先从QCA器件的功耗角度出发,对影响半径为41nm的QCA共面系统中元胞的耦合度进行建模,根据... 量子元胞自动机(Quantum-dot Cellular Automata,QCA)是一种具有新型计算范式的纳米器件,它是未来有望替代传统CMOS器件的有力竞争者之一.本文首先从QCA器件的功耗角度出发,对影响半径为41nm的QCA共面系统中元胞的耦合度进行建模,根据元胞之间的位置关系构造QCA门结构模型,据此对现有的共面五输入择多门进行分类,通过性能分析总结其结构特点,以此设计出一个新的低功耗五输入择多门,测试结果表明该结构功耗最低且其他性能也相对较优.另外,为验证所提出五输入择多门在电路中的性能,本文选择MR Azghadi全加器设计了一款共面QCA全加器,与同类加法器相比性能也最优. 展开更多
关键词 量子元胞自动机 五输入择多门 功耗模型 全加器
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