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QCA 클록킹 방식의 D 플립플롭을 이용한 프로그램 가능한 양자점 셀 구조의 설계
Design of Programmable Quantum-Dot Cell Structure Using QCA Clocking Based D Flip-Flop 원문보기

한국산업정보학회논문지 = Journal of the Korea Industrial Information Systems Research, v.19 no.6, 2014년, pp.33 - 41  

신상호 (경북대학교 컴퓨터학부) ,  전준철 (금오공과대학교 컴퓨터공학과)

초록
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본 논문에서는 QCA(quantum-dot cellular automata) 클록킹(clocking) 방식의 D 플립 플롭의 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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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 beca...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 QCA 클록킹 기법에 기반을 둔 새로운 D 플립플롭을 제안하였고, 이를 이용해 QPCA 구조를 설계하였다. 기존의 QCA상에서 제안된 D 플립플롭은 CLK 신호에 의해 동작이 제어되기 때문에 QCA 클록킹과 중복되어 사용되는 단점과 낭비되는 출력 상태 값이 존재했다.
  • 본 논문에서는 기존의 PCA를 대체하는 새로운 형태의 QCA에 기반을 둔 PCA(QPCA)의 구조를 설계한다. 설계하는 QPCA는 기존에 제안된 배선교차를 사용하지 않는 XOR 논리게이트의 구조를 변형하여 사용하고, 새로운 형태의 D 플립플롭과 두 개의 QCA 배선(wire)를 연결하기 위한 배선 제어 회로(wire control logic), 규칙을 제어하기 위한 규칙 제어 회로(rule control logic)를 제안한다.
  • 이러한 원리를 통하여 배선 내에서 셀들 간의 데이터 전송이 가능한 것이다. 본 논문에서는 이러한 QCA 클록킹 기법을 이용하여 새로운 형태의 D 플립플롭을 설계한다.
  • 본 절에서는 QCA의 기본 개념과 QCA에 기반을 둔 XOR 논리 게이트에 대해 소개한다.

가설 설정

  • 기존에 제안되었던 D 플립플롭과 새롭게 제안한 것을 이용하여 QPCA 구조를 설계하기 위해 다음의 내용을 가정한다. 현재 번째 QPCA는 t번째 시간 단계에서 상태 값 s t)를 D 플립플롭 내에 저장한다고 가정하고, 현재 클록 펄스(CLK; clock pulse)의 신호는 0이다.
  • 기존에 제안되었던 D 플립플롭과 새롭게 제안한 것을 이용하여 QPCA 구조를 설계하기 위해 다음의 내용을 가정한다. 현재 번째 QPCA는 t번째 시간 단계에서 상태 값 s t)를 D 플립플롭 내에 저장한다고 가정하고, 현재 클록 펄스(CLK; clock pulse)의 신호는 0이다. 만약 CLK의 신호가 1이 될 경우 D 플립플롭의 현재 상태 값 si(t)을 출력하고, 이 때 출력된 상태값 si(t)와 함께 규칙 90과 150 중 하나를 선택하여 자신의 이웃의 상태 값인 si-1(t)와 si+1(t)와 함께 XOR 불대수 연산을 수행한 후 다음 시간 단계의 상태 값 si(t + 1)을 출력하는 동시에 이것은 D 플립플롭의 입력 상태 값이 된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
양자점 셀룰러오토마타는 무엇인가? 무어의 법칙이 소개된 이래로 VLSI(vary large scale integrated circuit)내의 반도체 칩에 대한 집적도(degree of integration)는 매년 2배 가까이 높아졌지만 최근 CMOS 기술의 물리적인 한계로 인해 새로운 대체 기술의 필요성이 증대되고 있다. 양자점 셀룰러오토마타(QCA; quantum-dot cellular automta)는 나노 스케일(nano scale)의 양자점에 기반을 둔 셀을 이용하여 여러 가지 연산을 수행하고, 기존의 한계점을 해결하는 새로운 기술이다. Lent 등에 의해 처음으로 소개된 이래 QCA의 기본 특성과 클록킹(clocking) 기법을 이용해 기본적인 조합·순차 논리 회로 및 다중값 논리(MVL; multi-valued logic) 회로까지 다양한 구조가 설계되었다[1-4].
프로그램 가능한 셀룰러 오토마타란? 한편, 프로그램 가능한 셀룰러 오토마타(PCA: programmable cellular automata)는 서로 다른 시간마다 다른 규칙(rule)들을 이용하여 CA 셀(cell)들을 배열하여 다음 상태로 진화(evolution)하는 것이다. 이러한 PCA는 메모리 혹은 ALU의 구현에 효과적이지만 CMOS 기술에 의한 집적도의 한계로 인해 QCA 상에서 새롭게 설계될 필요성이 존재한다.
배선교차 기법을 사용한 XOR 논리 게이트의 단점은 무엇인가? 널리 사용되는 XOR 논리 게이트는 배선교차 기법을 이용한 것[8]으로 규칙적인 설계가 가능하고, 안정적인 출력 상태 값을 얻을 수 있으며, 불대수 식에 기반을 두어 다양한 형태로 설계가 가능 하다. 그러나 설계 구조의 크기와 입력과 출력 간의 지연시간(latency time)이 배선교차 기법에 따라 증가 되는 단점이 존재한다. 이러한 단점을 해결하기 위해 최근에는 배선교차 기법을 사용하지 않는 XOR 논리 게이트의 구조[9]가 제안되고 있고, 지연시간이 기존에 배선교차를 이용한 구조보다 단축되었다.
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참고문헌 (15)

  1. K. Pagiamtzis and A. Sheikholeslami, "Content-Addressable Memory (CAM) Circuits and Architectures: A Tutorial and Survey", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 41, No. 3, pp. 712-727, 2006. 

  2. B. E. Akgul, L. N. Chakrapani, P. Korkmaz, and K. V. Palem, "Probabilistic CMOS Technology: A Survey and Future directions", Proceedings of 2006 IFIP International Conference on IEEE, pp. 1-6, 2006. 

  3. G. Y. Cho, "Newton-Raphson's Double Precision Reciprocal Using 32-bit Multiplier", Journal of the Korea Industrial Information System Society, Vol. 18, No. 6, pp. 31-37, 2013. 

  4. E. H. Ahn and J. R. Choi, "High Speed TCAM Design Using SRAM Cell Stability", Journal of the Korea Industrial Information System Society, Vol. 18, No. 5, pp. 19-23, 2013. 

  5. P. P. Chaudhuri, Additive Cellular Automata: Theory and Applications, vol. 1, John Wiley & Sons, pp. 52-55, 1997. 

  6. A. Khurasia, and P. Gambhir, Quantum Cellular Automata, Final Project Report, 2006. 

  7. A. S. Shamsabadi, B. S. Ghahfarokhi, K. Zamanifar, and N. Movahedinia, "Applying Inherent Capabilities of Quantum-dot Cellular Automata to Design: D Flip-flop Case Study", Journal of Systems Architecture, Vol. 55, No. 3, pp. 180-187, 2009. 

  8. C. S. Lent, P. D. Tougaw, W. Porod, and G. H. Bernstein, "Quantum Cellular Automata", Nanotechnology, Vol. 4, No. 1, pp. 49-57, 1993. 

  9. M. R. Beigh, M. Mustafa, and F. Ahmad, "Performance Evaluation of Efficient XOR Structures in Quantum-Dot Cellular Automata (QCA)", Circuits and Systems, Vol. 4, No. 2, pp. 147-156, 2013. 

  10. Microsystems and the University of British Columbia Nanotechnology Group. QCADesigner, 2007, [Internet]. Available: http://www.mina.ubc.ca/qcadesigner/. 

  11. K. Walus, T. J. Dysart, G. A. Jullien, and R. A. Budiman, "QCADesigner: A Rapid Design and Simulation Tool for Quantum-dot Cellular Automata", IEEE Trans. Nanotechnology, Vol. 3, No. 1, pp. 26-31, 2004. 

  12. J. R. Janulis, P. D. Tougaw, S. C. Henderson, and E. W. Johnson, "Serial Bit-Stream Analysis Using Quantum-dot Cellular Automata", IEEE Trans. Nanotechnology, Vol. 3, No. 1, pp. 158-164, 2004. 

  13. H. Cho, and E. E. Swartzlander, "Adder Designs and Analyses for Quantum-dot Cellular Automata", IEEE Trans. Nanotechnology, Vol. 6, No. 3, pp. 374-383, 2007. 

  14. V. Vankamamidi, M. Ottavi, and F. Lombardi, "A Serial Memory by Quantum-dot Cellular Automata (QCA)", IEEE Trans., Computers, Vol. 57, No. 5, pp. 606-618, 2008. 

  15. P. D. Tougaw, and M. Khatun, "A Scalable Signal Distribution Network for Quantum-dot Cellular Automata", IEEE Trans. Nanotechnology, Vol. 12, No. 2, pp. 215-224, 2013. 

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