[論文レビュー] A new design and simulation of reversible gates in quantum-dot cellular automata technology.

Moein Sarvaghad-Moghaddam, Ali A. Orouji|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2018

Quantum-Dot Cellular Automata参考文献 32被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、ゲート数、段数、ゴミ出力、制御入力を最小化する、量子ドットセルラーオートマトン（QCA）技術における可逆論理のためのマルチオブジェクティブ合成手法を提案する。新規のQCAレイアウトを導入することで、従来の手法と比較して面積、遅延、複雑さ、論理段数の面で優れた性能を達成している。

ABSTRACT

Power dissipation is the main limitation of all the nano electronics design techniques including Quantum-dot Cellular Automata (QCA). The reversible computing is considered as the reliable solution to lower the power dissipation. In this paper, the contribution is divided into three parts. In the first part, a multi-objective synthesis method is presented for reversible functions (with the objective priority of gate counts (majority gates), gate levels, the number of NOT gates, and control inputs which are the input cells with fixed polarization used for programming 2-input OR and AND gates). Based on the proposed method, a new synthesis of many of well-known reversible gates is proposed. In the second part, a new method for converting irreversible functions to the reversible one in QCA technology is presented. This method has advantages such as: having of a minimum number of garbage outputs, converting of irreversible functions to reversible one directly and as optimal (So, in this method, a sub-optimal method of using of conventional reversible blocks such as Toffoli and Fredkin are not used), and so on. For showing the efficiency of the proposed method, it is applied to the 13 standard combinational functions. In the third part, new designs of QCA layouts are presented for gates synthesized in the previous section. Results show that our proposed method outperforms the best available methods in terms of area, complexity (cell amount), delay (clocking zones), and also in logic level in terms of levels, Control inputs, number of majority and NOT gates.

研究の動機と目的

• QCA技術における可逆計算を活用することで、ナノエレクトロニクスにおける消費電力の低減を図る。
• 可逆関数のための、ゲート数、段数、NOTゲート数、制御入力数を最優先にしたマルチオブジェクティブ合成手法を開発する。
• ゴミ出力を最小限に抑え、ToffoliやFredkinといった非効率な従来の可逆ブロックに依存しない、非可逆関数から可逆関数への変換を排除する。
• 合成された可逆ゲートのための効率的なQCAレイアウトを設計し、面積、遅延、複雑さの指標を改善する。
• QCAベースの可逆論理設計における複数の性能基準において、提案手法の優位性を実証する。

提案手法

• ゲート数（多数決ゲートを主軸とする）、段数、NOTゲート数、制御入力数を最優先にした、可逆関数のためのマルチオブジェクティブ合成フレームワークを提案する。
• ToffoliやFredkinといった従来の可逆ブロックを用いずに、非可逆関数から可逆関数への直接的かつ最適な変換手法を導入する。
• 13の標準的組み合わせ回路関数にこの手法を適用し、効率性を検証するとともに、ゴミ出力の生成を最小限に抑える。
• 最適化されたセル配置とクロックゾーン構成を用いて、合成された可逆ゲートのための新しいQCAレイアウトを設計する。
• 面積、セル数（複雑さ）、遅延（クロックゾーン数）、論理段数、制御入力数に基づいて性能を評価する。
• QCA実装のための論理合成と物理レイアウト最適化を統合した階層的設計アプローチを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QCAにおける可逆論理合成を、ゲート数、段数、NOTゲート数、制御入力数を同時に最小化するように最適化する方法は何か？
• RQ2 TofolliやFredkinといった標準的可逆ブロックに依存せずに、非可逆関数を最小限のゴミ出力で可逆関数に変換することは可能か？
• RQ3 提案された合成手法は、QCAにおける物理レイアウト効率（面積、遅延、セル数）にどのような影響を与えるか？
• RQ4 QCAベースの可逆回路において、提案手法は論理段数、制御入力数、および全体の複雑さの観点で、従来手法と比較してどのように異なるか？
• RQ5 新規のQCAレイアウト設計は、先行研究と比較して、遅延および面積といった性能指標をどの程度改善するか？

主な発見

• 提案されたマルチオブジェクティブ合成手法は、可逆関数におけるゲート数、段数、NOTゲート数、制御入力数において最適な結果を達成している。
• 非可逆関数から可逆関数への変換手法は、ゴミ出力をより少なくし、Tofolli や Fredkin といった従来の可逆ブロックの非効率な使用を回避している。
• この手法は13の標準的組み合わせ回路関数に成功裏に適用され、一貫した効率性の向上が確認された。
• 新規のQCAレイアウトは、面積の低減、セル数（複雑さ）の低減、遅延（クロックゾーン数）の最小化の観点で優れた性能を示している。
• 提案された設計は、論理段数、制御入力数、および全体の回路複雑さにおいて、利用可能な最良の手法と比較して優れた結果を達成している。
• 提案手法は、面積、複雑さ、遅延、論理段数、多数決ゲートおよびNOTゲートの数という、すべての評価指標において、既存手法を上回っている。