Одноелектронний наносуматор з мажоритарним вибором

Abstract

Одноелектронні прилади є перспективною технологією цифрової наноелектроніки, в якій біт інформації кодується наявністю або відсутністю електрона. В таких приладах переміщення електрона відбувається за рахунок процесів тунелювання або кулонівської блокади. Теоретична межа швидкодії одноелектронних приладів надзвичайно висока, оскільки тунелювання є безінерційним, а енергія переміщення електрона є надмалою. Як наслідок, теоретична межа швидкодії одноелектронних приладів складає сотні терагерц, а споживана енергія не перевищує одного аттоджоуля. Стаття присвячена впровадженню нового одноелектронного повного однорозрядного наносуматора на п’ятивходовому мажоритарному елементі для комп’ютерного моделювання і проектування високоефективних чотирирозрядних суматорів-віднімачів. В розроблених арифметично-логічних пристроях використана технологія квантових коміркових автоматів. Створений наносуматор використовує лише 231 квантову комірку на кристалі площею 0, 49мкм2. Затримки виконання логічних операцій та щільність енергій перемикання самих комірок суттєво зменшені в порівнянні з існуючими прототипами. Система автоматизованого проектування QCADdesigner версії 2.0.3 синтезує наносхеми повних суматорів та моделює часові діаграми їх працездатності. Енергія синхросигналів та споживання не перевищує 3,8*10-22 Дж. Результати моделювання одноелектронних наносуматорів підтвердили переваги над схемами інших розробників по усім експлуатаційним параметрам і характеристикам і стимулюють їх подальший розвиток для більшої розрядності і кількості мажоритарних функцій.

Single-electron devices are a promising technology of digital nanoelectronics, in which a bit of information is encoded by the presence or absence of an electron. In such devices, electron movement occurs due to tunneling or Coulomb blockade processes. The theoretical speed limit of single-electron devices is extremely high, since tunneling is inertialess, and the energy of electron movement is extremely small. As a result, the theoretical speed limit of single-electron devices is hundreds of terahertz, and the consumed energy does not exceed one attojoule. The article is devoted to the introduction of a new one-electron full one-bit nanoadder on a five-way majority element for computer modeling and design of highly efficient four-bit addersubtractors. The developed arithmetic logic devices use the technology of quantum cellular automata. The created nanoadder uses only 231 quantum cells on a crystal with an area of 0, 49μm2. Logical operation delays and switching energy density of the cells themselves are significantly reduced compared to existing prototypes. The automated design system QCADdesigner version 2.0.3 synthesizes nanocircuits of full adders and models time diagrams of their performance. The energy of synchronous signals and consumption does not exceed 3,8*10-22 J. The results of simulation of singleelectron nanoadders confirmed their advantages over the schemes of other developers in all operational parameters and characteristics and stimulate their further development for greater bit rate and number of majority functions.