[论文解读] 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 11

一句话总结

本文提出了一种用于量子点细胞自动机（QCA）技术的可逆逻辑多目标综合方法，同时最小化门电路数量、层级数、垃圾输出和控制输入。该方法提出了新颖的QCA布局设计，与现有方法相比，在面积、延迟、复杂度和逻辑层级方面表现出更优的性能。

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.

研究动机与目标

• 通过在QCA技术中利用可逆计算，解决纳米电子器件中的功耗问题。
• 开发一种多目标综合方法，优先优化可逆函数的门电路数量、门层级数、非门数量和控制输入。
• 最小化垃圾输出，并消除对次优传统可逆模块（如Toffoli和Fredkin门）在不可逆到可逆转换中的依赖。
• 为综合得到的可逆门设计高效的QCA布局，以改善面积、延迟和复杂度指标。
• 在基于QCA的可逆逻辑设计中，通过多维度性能指标验证所提方法的优越性。

提出的方法

• 提出一种可逆函数的多目标综合框架，优先优化门电路数量（主要为多数门）、门层级数、非门数量和控制输入。
• 提出一种直接、最优的不可逆函数到可逆函数的转换方法，避免使用传统可逆模块（如Toffoli门或Fredkin门）。
• 将该方法应用于13个标准组合逻辑函数，以验证其效率并最小化垃圾输出的产生。
• 通过优化单元布局和时钟区域配置，为综合得到的可逆门设计新型QCA布局。
• 基于面积、单元数量（复杂度）、延迟（时钟区域数）、逻辑层级数和控制输入数量对性能进行评估。
• 采用分层设计方法，结合逻辑综合与物理布局优化，以实现QCA中的高效实现。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在QCA中对可逆逻辑综合进行优化，以同时最小化门电路数量、门层级数、非门数量和控制输入？
• RQ2 是否可以在QCA中实现不可逆函数到可逆函数的转换，同时实现最少的垃圾输出，并且不依赖标准可逆模块？
• RQ3 所提出的综合方法对QCA中物理布局效率有何影响，具体体现在面积、延迟和单元数量方面？
• RQ4 与现有方法相比，该方法在基于QCA的可逆电路中，对逻辑层级、控制输入数量和整体复杂度有何改进？
• RQ5 与现有技术相比，新型QCA布局设计在延迟和面积等性能指标上的提升程度如何？

主要发现

• 所提出的多目标综合方法在可逆函数的门电路数量、门层级数、非门数量和控制输入方面均达到最优结果。
• 不可逆到可逆的转换方法产生的垃圾输出更少，并避免了对Toffoli门和Fredkin门等传统可逆模块的次优使用。
• 该方法成功应用于13个标准组合逻辑函数，展现出一致的效率提升。
• 新型QCA布局在面积减小、单元数量（复杂度）降低以及延迟（时钟区域数）最小化方面表现出更优性能。
• 与现有最优方法相比，所提设计在逻辑层级、控制输入数量和整体电路复杂度方面均表现更优。
• 在所有评估指标上，该方法均优于现有方法：包括面积、复杂度、延迟、逻辑层级数，以及多数门和非门的数量。