Реализация квантово – точечных клеточных автоматов

QCA DEVICE IMPLEMENTATION

Elvira Zakirova

student, Kazan National Research Technical University named after A. N. Tupolev — KAI, Russian, Kazan

Dmitriy Shulgin

candidate of Physical and Mathematical Sciences, associate Professor, Kazan National Research Technical University named after A. N. Tupolev — KAI, Russian, Kazan

Аннотация. В статье представлен обзор методов реализации реальных устройств на квантово – точечных клеточных автоматах. Рассматриваются точечно – металлический, полупроводниковый, магнитный и молекулярный методы, а также их преимущества и недостатки.

Abstract. The article presents an overview of the methods for implementing real devices on quantum dot cellular automata. The point - metal, semiconductor, magnetic and molecular methods, as well as their advantages and disadvantages are considered.

Ключевые слова: квантово – точечные клеточные автоматы; КТКА; молекулярные; магнитные; квантовые точки; ячейка; полу­проводник; металл; химические связи.

Keywords: quantum-dot cellular automata; QCA; molecular; magnetic; quantum dots; cell; semiconductor; metal; chemical bonds.

Квантово – точечные клеточные автоматы – это не только теоретическая модель, но и существующие экспериментально про­демонстрированные устройства. Что касается физического внедрения технологии КТКА, многие решения были предложены и реализованы в течение почти двух десятилетий. Среди них выделяются следующие примеры.

Реализация металл – точка (точечно – металлическое)

В этом методе реализации точки в КТКА представлены метал­лическими островками (например, Al), как показано на рис. 1 и эти металлические островки соединены друг с другом посредством туннель­ных контактов, позволяющих электронам свободно перемещаться [1, с. 5]. Эта базовая ячейка КТКА делится на два полуэлемента, между которыми есть конденсаторы, соединенные внутри, чтобы предотвратить пере­зарядку островка.

Рисунок 1. КТКА и его эквивалентная схема, реализованная с металлическими островками

Решение металл - точка было первой технологией с помощью которой реализовали КТКА. Однако из-за относительно больших размеров точек, реализуемых островками металла и связанной с ними тепловой энергией, такая система реализации могла работать только при чрезвычайно низкой температуре окружающей среды, т. е. криогенной температуре около десятков мК, для наблюдения квантовых эффектов и ее структурных свойств, не пригодных для масштабируемого проекти­рования схемотехники. При этом максимальная рабочая частота ограничена в диапазоне МГц.

Реализация полупроводник-точка

Другая идея была основана на полупроводниковой структуре [2, с. 547]. Некоторые возможные реализации были выполнены с использованием полупроводников, таких как кремний [3, с. 27] или гетероструктура GaAs/AlGaAs [3, с. 29].

Полупроводниковые (или твердотельные) реализации КТКА потен­циально могут быть использованы для реализации устройств КТКА с такими же высокотехнологичными процессами производства полупро­водников, которые используются для реализации КМОП-устройств. Поляризация ячеек кодируется как положение заряда, а квантово-точечные взаимодействия зависят от электростатической связи.

Тем не менее, из-за низкой производительности и чрезвычайно низкой рабочей температуры, по сравнению со стандартной технологией на основе КМОП, от технологий металл-точка, и полупроводниковой довольно быстро отказались.

Магнитная реализация

Другое физическое решение, подходящее для построения устройства КТКА, основано на логике наномагнетиков [3, с. 17], которая является так называемым магнитным КТКА. Точки реализуются магнитными доменами. В отличие от традиционной реализации КТКА, где логические состояния кодируются с точки зрения различных конфигураций мобильных зарядов, содержащихся в ячейках, двоичная информация в магнитном КТКА представлена вектором намагничивания (вверх или вниз) этих наномагнетиков. Вместо эффектов электронного туннелирования термин «квант» относится к квантовомеханическому характеру магнитных обменных взаимодействий. Таким образом, инфор­мация распространяется между магнитными устройствами КТКА из-за взаимодействия магнитного поля (ферромагнитного или антиферро­магнитного), и устройства, реализованные таким образом, могут работать при комнатной температуре. Реализация магнитного КТКА наиболее изучена и проработана по сравнению с другими.

Молекулярная реализация

В качестве альтернативы этим упомянутым подходам пред­лагаемый, но еще не реализованный метод состоит в создании устройств КТКА из отдельных молекул, известных как молекулярный КТКА (МКТКА) [4, с. 2]. Преимущества решения МКТКА, которые делают его превосходящим другие, - это высокосимметричная структура ячейки, сверхвысокие скорости переключения, чрезвычайно высокая плотность устройства, работа при комнатной температуре и даже возможность создания массовых устройств посредством самосборки молекул. Однако ряд технических проблем, включая выбор молекул, разработку правильных механизмов взаимодействия и технологию синхронизации, еще предстоит решить, прежде чем этот подход может быть экспериментально продемонстрирован.

Установлено, что молекулярная КТКА является наиболее перспективной среди всех предлагаемых новых технологий, из-за того, что имеет молекулярные размеры устройства, и позволяет проводить расчеты при комнатной температуре. При этом скорость переключения может достигать ожидаемых высоких рабочих частот (до Тгц), а также высокой плотности устройства [4, с. 10]. В частности, подход МКТКА является аналогом металл-точечной реализации КТКА и оба они исполь­зуют конфигурацию мобильных зарядов для определения логических состояний и двоичная информация передается через электростатическое взаимодействие.

Внутри МКТКА квантовые точки обслуживаются окислительно-восстановительными центрами молекул в качестве загрузочных контей­неров. Это связано с тем, что центр окислительно-восстановительного потенциала может добавить электрон (восстанавливаться) или потерять электрон (окисляться) без разрушения химических связей [4, с. 6]. Поэтому окислительно-восстановительный центр может характери­зоваться низколежащими несвязывающими (π или d) орбиталями. Вообще говоря, молекула находится в нейтральной форме, тогда как производительность вычислений МКТКА [может быть повышена, если такая молекула находится в окисленной или восстановленной форме. В окисленной молекуле отсутствует электрон и его чистый заряд положителен; в приведенной форме молекула притягивает электрон, что приводит к отрицательному сетевому заряду. Вследствие этого молекула и соответствующий ей противоион образуют нейтральную систему.

Другим возможным способом окисления молекулы является циклическая вольтамперометрия, поэтому процессы окислительно-восстановительных центров электрически переносятся вне.