본 논문에서는 QCA(quantum-dotcellular 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.
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.
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...
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.
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.
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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.
제안 방법
QCA상에서 새롭게 제안하는 D 플립플롭은 기존의 전자회로에서 사용하던 것과 달리 CLK의 신호에 대한 입력 없이 QCA 클록킹과 이진 배선을 이용하여 설계한다. 기존의 D 플립플롭의 역할은 CLK 신호의 입력에 따라 임의의 상태 값을 저장하거나 출력하는 것이었다.
설계된 QPCA는 QCADesigner[10,11]를 이용하여 시뮬레이션을 수행하고, 그 결과를 분석한다. 또한, 기존에 QCA상에서의 제안된 D 플립플롭을 이용한 설계 구조와 본 논문에서 설계한 것의 시/공간적(time/space) 효율성을 비교하여 우수성을 검증한다.
이것은 기존 회로의 로직이나 배선형태가 CLK의 신호에 따라 동기화가 수행되기 때문이나 QCA에서는 배선이 셀들로 구성되어 있기 때문에 별도의 CLK 신호 없이 클록킹 기법을 통해 데이터의 전송이나 지연 기능이 가능하다. 본 논문에서 제안하는 D 플립플롭의 구조는 단순한 이진 배선 형태로 설계되고, 기존의 것과 동일하게 일정 시간동안 지연 또는 저장의 효과를 제공하며, 제안하는 구조는 Fig. 3과 같다. Fig.
본 절에서는 QPCA의 구조 설계 시 필요한 D 플립플롭을 새롭게 제안하고, 기존의 D 플립플롭과 제안한 것을 이용하여 QPCA의 구조를 각각 설계한다.
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. 설계된 QPCA는 QCADesigner[10,11]를 이용하여 시뮬레이션을 수행하고, 그 결과를 분석한다.
6과 같다. 설계한 구조는 입력에 대해 올바른 결과 값이 출력됨을 확인했고, 에지 트리거 형태의 D 플립플롭을 사용했기 때문에 CLK의 신호가 상승 에지(positive edge)일 경우에 D 플립플롭 내에 저장된 임의의 상태 값이 출력되고, RC에 따라 D 플립플롭으로 출력된 상태 값의 참조 여부를 결정한 후 자신의 이웃 상태 값인 - 1 t)와 si+1(t)를 이용해 XOR 불대수 연산을 수행한 후 다음 CLK의 신호를 기다린다. 설계한 구조의 입·출력간의 지연시간은 20 클록이 소요되지만 최초의 출력 상태 값은 WCL로부터 입력되기 때문에 24 클록이 소요된다.
WCL은 초기의 입력과 이 후 CLK의 신호에 따라 출력되는 D 플립플롭의 상태 값에 대한 입력을 선택하는 역할을 수행하는 것으로 기존의 전자회로에서의 배선은 단순히 신호의 인가 유무에 대한 역할만 수행했지만 QCA 상에서의 배선은 셀들로 구성되어 있기 때문에 동일 평면상에서의 배선 연결은 특별한 회로로 구성해야 한다. 설계한 구조에서는 멀티플렉서의 개념을 이용하여 임의의 입력제어신호(IC: input control signal)를 두고, 이를 이용하여 두 배선의 입력을 제어한다. RCL은 규칙 90과 150중 하나를 선택하기 위해 설계된 회로로써 단순히 자기 자신을 참조할 것인지에 대한 결정을 수행하는 역할이고, 이를 구현 하기 위해 MV 게이트를 사용하며, 하나의 입력을 영구히 편극 값 1로 고정한다.
설계한 두 QPCA 구조의 성능평가를 위해 소요된 회로의 크기와 입·출력 간의 지연시간 및 집적도를 기준으로 비교 및 분석을 수행했다.
제안하는 D 플립플롭의 효율성을 측정하기 위해 기존의 D 플립플롭과 제안한 구조를 이용하여 각각 QPCA의 구조를 설계한다. QPCA는 D 플립플롭과 XOR 논리게이트, 두 개의 QCA 배선(wire)를 연결하기 위한 배선 제어 회로(WCL; wire control logic), 규칙을 제어하기 위한 규칙 제어 회로(RCL; rule control logic)로 구성되어 있다.
기존의 QCA상에서 제안된 D 플립플롭은 CLK 신호에 의해 동작이 제어되기 때문에 QCA 클록킹과 중복되어 사용되는 단점과 낭비되는 출력 상태 값이 존재했다. 제안한 D 플립플롭은 QCA 클록킹 기법과 이진배선의 구조를 이용해 단순한 형태로 설계했다. 제안한 D 플립플롭을 이용해 설계한 QPCA는 기존의 D 플립플롭을 이용한 QPCA 설계 구조와 비교해 회로의 지연시간은 8클록을 줄였고.
기존에 제안된 QCA상에서의 D 플립플롭과 XOR 논리 게이트는 다양하게 존재한다. 처음으로 제안된 설계 구조는 2개의 D 또는 SR 래치(latch)를 이용한 D 플립플롭[6]으로 기존의 전자회로에서 사용하던 방식과 유사하게 설계되었다. 이 후 클록(clock)의 에지 트리거(edge trigger) 혹은 레벨 트리거(level trigger)를 이용하여 새로운 유형이 제안[7]되었고, QCA 특성을 이용한 D 플립플롭[7]도 제안되었다.
대상 데이터
또한 설계한 구조의 전체 크기는 각각 0.77μm2와 0.43μm2이고, 셀이 차지하는 면적으로 계산한 경우 각각 1,710개와 1,056개가 소요되었다.
데이터처리
설계한 두 QPCA 구조의 성능평가를 위해 소요된 회로의 크기와 입·출력 간의 지연시간 및 집적도를 기준으로 비교 및 분석을 수행했다. 또한, 평가를 수행 하기 위해 총 셀의 수와 전체 회로 크기에 대응하는 셀의 수, 소요 클록을 각각 측정했고, 그 결과는 Table 1과 같으며, 이는 QCADesigner의 시뮬레이션 결과를 통해 확인 가능한 것이다. 두 QPCA 구조들을 설계하기 위해 사용된 총 셀의 수는 각각 395개와 289개가 소요되었고, 기존의 D 플립플롭을 이용한 설계 구조가 106개의 셀을 더 사용하였음을 확인했다.
본 절에서는 설계한 두 QPCA 구조에 대한 성능평가를 위해 QCADesigner[10,11]를 이용해 시뮬레이션을 수행하고, 그 결과를 비교 분석한다.
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. 설계된 QPCA는 QCADesigner[10,11]를 이용하여 시뮬레이션을 수행하고, 그 결과를 분석한다. 또한, 기존에 QCA상에서의 제안된 D 플립플롭을 이용한 설계 구조와 본 논문에서 설계한 것의 시/공간적(time/space) 효율성을 비교하여 우수성을 검증한다.
이론/모형
본 논문에서는 설계한 구조를 특정한 상태 값으로 설정하여 시뮬레이션을 수행하기 때문에 쌍근사 방식을 사용한다. QCADesigner는 이러한 두 가지 시뮬레이션 기법을 수행할 수 있도록 구현된 소프트웨어로서 본 논문에서는 이것을 이용하여 시뮬레이션을 수행했다.
본 논문에서는 설계한 구조를 특정한 상태 값으로 설정하여 시뮬레이션을 수행하기 때문에 쌍근사 방식을 사용한다. QCADesigner는 이러한 두 가지 시뮬레이션 기법을 수행할 수 있도록 구현된 소프트웨어로서 본 논문에서는 이것을 이용하여 시뮬레이션을 수행했다.
QCA에 기반을 두어 설계한 회로에 구현 또는 시뮬레이션은 두 가지 기법으로 수행되고, 이를 코히런트 벡터(coherent vector)와 쌍(안정)근사(bistable approximation)라고 지칭하며, 두 방법에 대한 시뮬레이션은 각각의 기반을 두는 개념에 따라 약간의 차이를 두고 수행된다. 코히런트 벡터 방식의 시뮬레이션은 밀도행렬접근(density matrix approach)에 기반을 두고, 시간에 따라 에너지의 준위가 달라지는 모델을 이용하여 킹크(kink) 에너지 평가한다. 이에 반해 쌍근사 방식의 시뮬레이션은 두 가지 상태(편극 값: + 1과- 1)에 기반을 두고, 이 들이 QCA 셀 간에 미치는 영향을 킹크 에너지로 계산하여 평가한다[10].
성능/효과
또한, 평가를 수행 하기 위해 총 셀의 수와 전체 회로 크기에 대응하는 셀의 수, 소요 클록을 각각 측정했고, 그 결과는 Table 1과 같으며, 이는 QCADesigner의 시뮬레이션 결과를 통해 확인 가능한 것이다. 두 QPCA 구조들을 설계하기 위해 사용된 총 셀의 수는 각각 395개와 289개가 소요되었고, 기존의 D 플립플롭을 이용한 설계 구조가 106개의 셀을 더 사용하였음을 확인했다. 또한 설계한 구조의 전체 크기는 각각 0.
43μm2이고, 셀이 차지하는 면적으로 계산한 경우 각각 1,710개와 1,056개가 소요되었다. 이를 통해 기존의 D 플립플롭을 사용하는 것보다 본 논문에서 새롭게 제안한 D 플립플롭을 이용하는 것이 회로의 공간 측면에서 약 55.84% 더 효율적임을 확인했다.
이것은 향후 연구를 통해 집적도를 높일 수 있도록할 것이고, 소요된 지연시간은 각각 24 클록과 16 클록이며, 이것은 서로 다른 D 플립플롭을 사용했기 때문에 차이가 발생했다. 이를 통해 제안한 D 플립플롭을 이용하는 것이 QPCA의 시/공간 효율성 측면에서 우수함을 알 수 있었고, QCADesigner를 통해 설계한 QPCA구조가 올바른 결과 값을 도출하는 것을 확인하였다.
84%를 축소시켰다. 제안한 D 플립플롭과 이를 이용해 설계한 QPCA 구조의 출력된 값의 정확성을 평가하기 위해 QCADesigner를 이용하여 시뮬레이션을 수행했고, 그 결과 입력에 대응되는 올바른 결과가 출력됨을 확인했다.
이 구조 역시 입력에 대해 올바른 결과의 상태 값이 출력 됨을 확인했다. 제안한 D 플립플롭은 QCA 클록킹 기법에 의해 제어되는 것이기 때문에 기존의 것과 달리 별도의 CLK 신호의 입력이 필요 없었고, 단순히 배선 연결의 선택과 규칙 90과 150 중 하나를 선택하기 위해 별도의 IC와 RC의 입력을 시뮬레이션을 수행하기에 si(t)은 참조하지 않고, 이웃 값들인 si-1(t)와 si+1(t)만 참조하여 처음으로 출력되는 상태 값은 0이 되었고, 다음 시간 단계(t + 1)에서 출력되는 상태값 역시 0이 됨을 확인했다. 설계한 구조의 입·출력에 대한 지연시간은 16클록 (또는 4사이클)이 소요되고, 최초의 상태 값이 출력 된 후 지속적으로 다음 상태의 값이 출력되기 때문에 낭비되는 결과 값이 없다.
제안한 D 플립플롭은 QCA 클록킹 기법과 이진배선의 구조를 이용해 단순한 형태로 설계했다. 제안한 D 플립플롭을 이용해 설계한 QPCA는 기존의 D 플립플롭을 이용한 QPCA 설계 구조와 비교해 회로의 지연시간은 8클록을 줄였고. 공간은 55.
후속연구
설계한 두 구조에 대한 집적도는 모두 낮은 편이다. 이것은 향후 연구를 통해 집적도를 높일 수 있도록할 것이고, 소요된 지연시간은 각각 24 클록과 16 클록이며, 이것은 서로 다른 D 플립플롭을 사용했기 때문에 차이가 발생했다. 이를 통해 제안한 D 플립플롭을 이용하는 것이 QPCA의 시/공간 효율성 측면에서 우수함을 알 수 있었고, QCADesigner를 통해 설계한 QPCA구조가 올바른 결과 값을 도출하는 것을 확인하였다.
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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