Kuantum Noktalarına Dayalı Enerji Verimli Elektronik Cihazlar için Nano Ölçekli Aritmetik ve Mantık Birimi Tasarımı

Abstract

Elektronik, modern teknolojilerin temel bileşenidir ve transistörler, diyotlar, kapasitörler ve sensörler gibi basit bileşenlerin yardımıyla elektriksel bilginin iletilmesini sağlar. Akımı kontrol ederek, temel sinyal işleme fonksiyonları olan amplifikasyon, anahtarlama ve modülasyon gibi önemli işlevleri yerine getirirler. Mevcut yüksek performanslı sinyal işleme uygulamaları, bu sistemleri daha hızlı, daha küçük ve daha az enerji tüketen hale getiren malzeme bilimi ve nanoteknolojideki güncel gelişmeler sayesinde mümkün olmaktadır. Sinyal işleme, modern yaşamın birçok unsurunun telekomünikasyon, eğitim, sağlık, endüstri ve güvenlik gibi gelişiminde önemli bir etki yaratmıştır. Yarı iletken endüstrisi, sinyal işleme inovasyonunun başlıca itici gücü olup, küresel talebe yanıt olarak giderek daha sofistike elektronik cihazlar ve devreler üretmektedir. Ayrıca, merkezi işlem birimi (CPU), bilgisayarların ve tüm elektronik cihazların ve sinyal işlemenin 'beyni' olarak tanımlanır. CPU, bellek, çarpan, toplayıcı gibi hayati bileşenleri içeren kritik bir elektronik aygıttır. CPU'nun temel bileşenlerinden biri de aritmetik ve mantık birimidir (ALU); toplama, çarpma ve çıkarma gibi tüm CPU işlemleri içinde aritmetik ve mantıksal işlemleri gerçekleştirmektedir. Ancak ALU devrelerinde gecikme, kapladığı alan ve enerji tüketimi önemli parametrelerdir. Mevcut ALU tasarımları yüksek gecikme, fazla alan kullanımı ve yüksek enerji tüketimi gibi sorunlarla karşılaştığı için, yeni teknolojiye dayalı elektronik devrelerin uygulanması; mikrodenetleyiciler, mikroişlemciler ve baskılı cihazlar gibi tüm sinyal işleme aygıtlarının performansını yüksek hız ve düşük alan kullanımı ile önemli ölçüde artırabilir. Kuantum Nokta Hücreli Otomatlar (QCA), bu eksiklikleri gidermek için tüm elektronik devreler ve sinyal işleme uygulamalarında etkili bir teknolojidir. Bu teknoloji, CMOS ve VLSI gibi yerleşik teknolojilere alternatif olarak araştırılmakta olup, ultra düşük güç tüketimi, yüksek cihaz yoğunluğu, THz seviyesinde hızlı çalışma hızı ve azaltılmış devre karmaşıklığı gibi avantajlara sahiptir. Bu araştırma, gelişmiş QCA nanoteknolojisini uygulayarak mikrodenetleyiciler gibi elektronik cihazları geliştiren yenilikçi bir ALU tasarımı önermektedir. Temel amaç, QCA nanoteknolojisinin potansiyelinden tam anlamıyla yararlanan özgün bir ALU mimarisi sunmaktır. Yeni ve verimli bir yaklaşımla, temel mantık kapıları döndürülmemiş tek hücreye dayalı eş düzlemli bir düzenle ustalıkla kullanılmaktadır. Ayrıca bu çalışma, kuantum nokta hücreli otomata teknolojisinde geliştirilmiş 1-bit ve 2-bit aritmetik ve mantık birimi sunmaktadır. Önerilen tasarım; mantık işlemleri, aritmetik işlemler, tam toplayıcı (FA) tasarımı ve çoklayıcıları içermektedir. Tüm önerilen tasarımlar güçlü simülasyon aracı QCADesigner kullanılarak değerlendirilmiş ve doğrulanmıştır. Simülasyon sonuçları, önerilen ALU'nun hücre sayısı ve toplam kaplanan alan açısından en iyi tek katmanlı ve çok katmanlı önceki tasarımlara kıyasla sırasıyla %42.48 ve %64.28 oranında iyileştirme sağladığını göstermektedir.

Electronics is the fundamental component of modern technologies, and it enables transmission of electrical information with the help of simple components, including transistors, diodes, capacitors, and sensors. They control the flow of current, and hence, they deliver important functions such as amplification, switching, and modulation, which are fundamental signal processing functions. The present high-performance signal-processing applications are made possible by current developments in materials science and nanotechnology, which are making these systems faster, smaller, and less energy-intensive. Signal processing has had a significant impact on the development of modern society, having affected such areas as telecommunications, education, healthcare, industry, and security. The semiconductor industry is at the leading edge of this development, and it keeps on advancing providing more sophisticated electronic devices and circuits to the world market. The core of this technological ecosystem is the central processing unit (CPU) commonly known as the brain of computers and electronic systems. The arithmetic and logic unit (ALU) is one of the most critical modules of the CPU because it incorporates the basic elements of the CPU such as memory, multipliers, and adders. The ALU performs the most fundamental arithmetical and logical operations upon which all the CPU operations depend, including addition, subtraction, and multiplication. The traditional ALU designs, however, are constrained in terms of delay, area usage and power consumption. These issues interfere with the performance and efficiency of the whole system. In order to overcome them, alternative technologies are under consideration as alternatives to the traditional implementations. Quantum-dot Cellular Automata (QCA) has been of great interest as a promising transistor-less nanotechnology. QCA, an emerging alternative to complementary-metal-oxide-semiconductor (CMOS) and very large-scale integrated circuit (VLSI), has several promising features, including power dissipation as low as the lowest levels in CMOS technology, compact device density, terahertz operating frequencies, and simpler circuit designs. This study presents a new ALU architecture founded on QCA technology and designed to increase the efficiency of electronic devices like microcontrollers, microprocessors, and printed systems. The suggested solution is based on a coplanar layout model utilizing non-rotated single cells and making the best utilization of basic gates to enhance efficiency. There are 1-bit and 2-bit ALU designs, which include arithmetic and logical operations, full adder (FA) implementation, and multiplexers. QCADesigner is used to simulate the designs and verify them. Findings indicate that the proposed ALU delivers impressive gains in resource efficiency, where the cell count and overall area reduction of 42.48 % and 64.28 %, respectively, is significantly better than the highest previously reported single-layer and multi-layer designs.