회전된 셀을 이용한 QCA 유니버셜 게이트 기반의 XOR 게이트 설계

이진성,전준철 사단법인 인문사회과학기술융합학회 2017 예술인문사회융합멀티미디어논문지 Vol.7 No.3

Quantum-dot cellular automata(QCA) is an alternative technology for implementing various computation, high performance, and low power consumption digital circuits at nano scale. In this paper, we propose a new universal gate in QCA. By using the universal gate, we propose a novel XOR gate which is reduced time/hardware complexity. The universal gate can be used to construct all other basic logic gates. Meanwhile, the proposed universal gate is designed by basic cells and a rotated cell. The rotated cell of the proposed universal gate is located at the central of 3-input majority gate structure. In this paper, we propose an XOR gate using three universal gates, although more than five 3-input majority gates are used to design an XOR gate using the 3-input majority gate. The proposed XOR gate is superior to the conventional XOR gate in terms of the total area and the consumed clock because the number of gates are reduced. 양자점 셀룰라 오토마타(QCA: quantum-dot cellular automata)는 나노 크기의 셀을 이용하여 다양한 연산을 수행하며, 매우 빠른 연산속도와 적은 전력손실로 차세대 기술로 떠오르고 있다. 본 논문에서는 QCA 상에서 새로운 유니버셜 게이트(universal gate)를 제안한다. 또한, 유니버셜 게이트를 이용하여 시공간 효율성 측면에서 우수한 XOR 게이트를 제안한다. 유니버셜 게이트는 자기 자신으로 모든 기본 논리 게이트를 만들어 낼 수 있는 게이트이다. 한편, 제안된 유니버셜 게이트는 기본 셀과 회전된 셀을 활용하여 설계한다. 제안된 유니버셜 게이트의 회전된 셀은 3-입력 다수결게이트 구조의 중앙부에 위치한다. 3-입력 다수결 게이트를 이용하여 XOR 게이트를 설계할 때는 5개 이상의 3-입력 다수결 게이트가 사용되지만, 본 논문에서는 3개의 유니버셜 게이트를 사용하여 XOR 게이트를 제안한다. 제안하는 XOR 게이트는 기존의 XOR 게이트보다 사용된 게이트 수가 줄었으며 설계 면적이나 소요 클럭면에서 우수함을 확인할 수 있다.

XOR 게이트를 이용한 다층구조의 QCA 반가산기 설계

남지현,전준철 사단법인 인문사회과학기술융합학회 2017 예술인문사회융합멀티미디어논문지 Vol.7 No.3

Quantum-dot cellular automata(QCA) is a computing model designed to be similar to cellular automata, and an alternative technology for next generation using high performance and low power consumption. QCA is undergoing various studies with recent experimental results, and it is one of the paradigms of transistors that can solve device density and interconnection problems as nano-unit materials. An XOR gate is a gate that operates so that the result is true when either one of the logic is true. The proposed XOR gate consists of five layers. The first layer consists of OR gates, the third and fifth layers consist of AND gates, and the second and fourth layers are designed as passages in the middle. The half adder consists of an XOR gate and an AND gate. The proposed half adder is designed by adding two cells to the proposed XOR gate. The proposed half adder consists of fewer cells, total area, and clock than the conventional half adder. 양자점 셀룰라 오토마타(QCA: quantum-dot cellular automata)는 셀룰라 오토마타와 유사하게 고안된 컴퓨팅 모델이며, 빠른 연산속도와 적은 전력손실로 차세대의 각광받는 기술도 떠오르고 있다. QCA는 최근 실험 결과와 함께 다양한 연구가 진행되고 있으며 나노 단위 소재로서 디바이스 밀도 및 상호 연결 문제를 해결할 수 있는 트랜지스터의 패러다임 중 하나이다. XOR(exclusive or) 게이트는 논리의 둘 중 하나가 참일 때 결과가 참이 되도록 작동하는 게이트이다. 제안하는 XOR 게이트는 5개의 층으로 구성되어 있다. 첫 번째 층은 OR 게이트, 세 번째 층과 다섯 번째 층은 AND 게이트로 구성되어 있고 중간에 두 번째 층과 네 번째 층은 통로로 구성하여 설계한다. 반가산기는 XOR 게이트와 AND 게이트로 이루어져 있다. 제안한 반가산기는 제안하는 XOR 게이트에서 셀 두 개를 추가하여 설계한다. 제안한 반가산기는 기존의 반가산기에 비해 보다 적은 수의 셀, 전체 면적, 그리고 클럭으로 구성한다.

배선을 최소화한 XOR 게이트 기반의 QCA 반가산기 설계

남지현,전준철 사단법인 인문사회과학기술융합학회 2017 예술인문사회융합멀티미디어논문지 Vol.7 No.10

Quantum Cellular Automata(QCA) is one of the proposed techniques as an alternative solution to the fundamental limitations of CMOS. QCA has recently been extensively studied along with experimental results, and is attracting attention as a nano-scale size and low power consumption. Although the XOR gates proposed in the previous paper can be designed using the minimum area and the number of cells, there is a disadvantage that the number of added cells is increased due to the stability and the accuracy of the result. In this paper, we propose a gate that supplement for the drawbacks of existing XOR gates. The XOR gate of this paper reduces the number of cells by arranging AND gate and OR gate with square structure and propose a half-adder by adding two cells that serve as simple inverters using the proposed XOR gate. Also This paper use QCADesginer for input and result accuracy. Therefore, the proposed half-adder is composed of fewer cells and total area compared to the conventional half-adder, which is effective when used in a large circuit or when a half - adder is needed in a small area. 양자점 셀룰라 오토마타(QCA)는 CMOS의 근본적인 한계에 대한 대체 해결책으로 제안된 기술 중 하나이다. QCA는 최근 실험 결과와 함께 다양한 연구가 진행해오고 있으며 나노 규모의 크기와 낮은 전력 소비로 각광 받고 있다. 기존 논문에서 제안된 XOR 게이트는 최소한의 면적과 셀의 개수를 이용하여 설계 할 수 있음에도 불구하고 안정성 및 결과의 정확성 때문에 추가된 셀의 개수가 많았다. 본 논문에서는 기존의 XOR 게이트의 단점을 보완한 게이트를 제안한다. 본 논문의 XOR 게이트는 정사각형 구조로 AND 게이트와 OR게이트를 배치함으로써 셀 배선의 개수를 줄인다. 그리고 제안한 XOR 게이트를 이용하여 단순 인버터 역할을 하는 셀 2개를 추가해 반가산기를 제안한다. 또한 본 논문은 입력과 결과의 정확성을 위해 QCADesginer을 이용한다. 따라서 제안한 반가산기는 기존의 반가산기에 비해 더 적은 수의 셀, 전체 면적으로 구성됨으로 큰 회로에 사용할 때 혹은 작은 면적에 반가산기가 필요할 때 효율적이다.

확장성을 고려한 QCA XOR 게이트 설계

유영원 ( Young-won You ),김기원 ( Kee-won Kim ),전준철 ( Jun-cheol Jeon ) 한국항행학회 2016 韓國航行學會論文誌 Vol.20 No.6

CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor)의 소형화에 대한 한계를 극복할 수 있는 대체 기술 중 하나인 양자 셀룰라 오토마타 (QCA; quantum cellular automata)는 나노 단위의 셀들로 이루어져 있고, 전력의 소모량이 매우 적은 것이 특징이다. QCA를 이용한 다양한 회로들이 연구되고 있고, 그 중에서 XOR (exclusive-OR)게이트는 오류 검사 및 복구에 유용하게 사용되고 있다. 기존의 XOR 논리 게이트는 확장성이 부족하고, 클럭 구간의 수가 많이 소요되며, 실제 구현에 어려움이 있는 경우가 많다. 이러한 단점을 극복하기 위해 클럭 구간의 수를 단축한 다수결 게이트를 이용한 XOR 논리 게이트를 제안한다. 제안한 회로는 기존의 XOR논리 게이트들과 비교·분석하고 그 성능을 검증한다. Quantum cellular automata (QCA) are one of the alternative technologies that can overcome the limits of complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) scaling. It consists of nano-scale cells and demands very low power consumption. Various circuits on QCA have been researched until these days, and in the middle of the researches, exclusive-OR (XOR) gates are used as error detection and recover. Typical XOR logic gates have a lack of scalable, many clock zones and crossover designs so that they are difficult to implement. In order to overcome these disadvantages, this paper proposes XOR design using majority gate reduced clock zone. The proposed design is compared and analysed to previous designs and is verified the performance.

ELECTRON TRANSPORT THROUGH A QUANTUM INTERFEROMETER WITH SIDE-COUPLED QUANTUM DOTS: A THEORETICAL STUDY

SANTANU K. MAITI 성균관대학교(자연과학캠퍼스) 성균나노과학기술원 2010 NANO Vol.5 No.4

We study electron transport through a quantum interferometer with side-coupled quantum dots. The interferometer, threaded by a magnetic flux φ, is attached symmetrically to two semi-infinite one-dimensional metallic electrodes. The calculations are based on the tight-binding model and the Green's function method, which numerically compute the conductance–energy and current–voltage characteristics. Our results predict that under certain conditions this particular geometry exhibits anti-resonant states. These states are specific to the interferometric nature of the scattering and do not occur in conventional one-dimensional scattering problems of potential barriers. Most importantly we show that, such a simple geometric model can also be used as a classical XOR gate, where the two gate voltages, viz, Va and Vb, are applied, respectively, in the two dots those are treated as the two inputs of the XOR gate. For φ = φ0/2 (φ0 = ch/e, the elementary flux-quantum), a high output current (1) (in the logical sense) appears if one, and only one, of the inputs to the gate is high (1), while if both inputs are low (0) or both are high (1), a low output current (0) appears. It clearly demonstrates the XOR gate behavior and this aspect may be utilized in designing an electronic logic gate.

셀 간 상호작용을 이용한 XOR 게이트 기반의 양자점 셀룰러 오토마타 T 플립플롭

유찬영,전준철 국제문화기술진흥원 2021 The Journal of the Convergence on Culture Technolo Vol.7 No.1

양자점 셀룰라 오토마타(Quantum-Dot Cellular Automata)는 기존의 CMOS 회로의 물리적 크기 한계를 극 복하여 효율적인 회로 설계가 가능할 뿐만 아니라 에너지 효율이 우수한 특징 때문에 많은 연구 단체에서 주목받고 있는 차세대 나노 회로 설계기술이다. 본 논문에서는 QCA를 이용하여 기존 디지털 회로 중 하나인 T 플립플롭 회 로를 제안한다. 기존에 제안되었던 T 플립플롭들은 다수결게이트를 기반으로 설계되었기 때문에 회로가 복잡하며 지 연시간이 길다. 따라서 다수결게이트를 최소화시키며, 셀 간 상호작용을 이용한 XOR 게이트 기반의 T 플립플롭을 설계함으로써 회로의 복잡도를 줄이고, 지연시간을 최소화한다. 제안하는 회로는 QCADesigner를 사용하여 시뮬레이 션을 진행하며, 기존에 제안된 회로들과 성능을 비교 및 분석한다. Quantum-Dot Cellular Automata is a next-generation nanocircular design technology that is drawing attention from many research organizations not only because it is possible to design efficient circuits by overcoming the physical size limitations of existing CMOS circuits, but also because of its energy-efficient features. In this paper, one of the existing digital circuits, T flip-flop circuit, is proposed using QCA. The previously proposed T flip-flops are designed based on the majority gate, so the circuits are complex and have long delays. Therefore, the design of the XOR gate-based T flip-flop using cell interaction reduces circuit complexity and minimizes latency. The proposed circuit is simulated using QCADesigner, and the performance is compared and analyzed with the existing proposed circuits.

Full Adder Circuit Design with Novel Lower Complexity XOR Gate in QCA Technology

Ali H. Majeed,Mohd Shamian Bin Zainal,Esam Alkaldy,Danial Md Nor 한국전기전자재료학회 2020 Transactions on Electrical and Electronic Material Vol.21 No.2

Quantum-dot Cellular Automata (QCA) is a new technology for designing digital circuits in Nanoscale. This technology utilizes quantum dots rather than diodes and transistors. QCA supplies a new computation platform, where binary data can be represented by polarized cells, which can defi ne by the electron’s configurations inside the cell. This paper explains QCA based combinational circuit design; such as half-adder and full-adder, by only one uniform layer of cells. The proposed design is accomplished using a novel XOR gate. The proposed XOR gate has a 50% speed improvement and 35% reduction in the number of cells needed over the best reported XOR. The results of QCADesigner software show that the proposed designs have less complexity and less power consumption than previous designs.

All-Optical Binary Full Adder Using Logic Operations Based on the Nonlinear Properties of a Semiconductor Optical Amplifier

Sanmukh Kaur,Rajinder Singh Kaler,Tara-Singh Kamal 한국광학회 2015 Current Optics and Photonics Vol.19 No.3

We propose a new and potentially integrable scheme for the realization of an all-optical binary fulladder employing two XOR gates, two AND gates, and one OR gate. The XOR gate is realized usinga Mach-Zehnder interferometer (MZI) based on a semiconductor optical amplifier (SOA). The AND andOR gates are based on the nonlinear properties of a semiconductor optical amplifier. The proposed schemeis driven by two input data streams and a carry bit from the previous less-significant bit order position. In our proposed design, we achieve extinction ratios for Sum and Carry output signals of 10 dB and 12dB respectively. Successful operation of the system is demonstrated at 10 Gb/s with return-to-zeromodulated signals

Bacterial Hash Function Using DNA-Based XOR Logic Reveals Unexpected Behavior of the LuxR Promoter

Pearson, Brianna,Lau, Kin H.,Allen, Alicia,Barron, James,Cool, Robert,Davis, Kelly,DeLoache, Will,Feeney, Erin,Gordon, Andrew,Igo, John,Lewis, Aaron,Muscalino, Kristi,Parra, Madeline,Penumetcha, Palla Korean Society for Bioinformatics 2011 Interdisciplinary Bio Central (IBC) Vol.3 No.3

Introduction: Hash functions are computer algorithms that protect information and secure transactions. In response to the NIST's "International Call for Hash Function", we developed a biological hash function using the computing capabilities of bacteria. We designed a DNA-based XOR logic gate that allows bacterial colonies arranged in a series on an agar plate to perform hash function calculations. Results and Discussion: In order to provide each colony with adequate time to process inputs and perform XOR logic, we designed and successfully demonstrated a system for time-delayed bacterial growth. Our system is based on the diffusion of ${\ss}$-lactamase, resulting in destruction of ampicillin. Our DNA-based XOR logic gate design is based on the op-position of two promoters. Our results showed that $P_{lux}$ and $P_{OmpC}$ functioned as expected individually, but $P_{lux}$ did not behave as expected in the XOR construct. Our data showed that, contrary to literature reports, the $P_{lux}$ promoter is bidirectional. In the absence of the 3OC6 inducer, the LuxR activator can bind to the $P_{lux}$ promoter and induce backwards transcription. Conclusion and Prospects: Our system of time delayed bacterial growth allows for the successive processing of a bacterial hash function, and is expected to have utility in other synthetic biology applications. While testing our DNA-based XOR logic gate, we uncovered a novel function of $P_{lux}$. In the absence of autoinducer 3OC6, LuxR binds to $P_{lux}$ and activates backwards transcription. This result advances basic research and has important implications for the widespread use of the $P_{lux}$ promoter.

Design of Wire-Crossing Technique Based on Difference of Cell State in Quantum-Dot Cellular Automata

Sang-Ho Shin,Jun-Cheol Jeon,Kee-Young Yoo 보안공학연구지원센터 2014 International Journal of Control and Automation Vol.7 No.4