关键字 |
| 可逆逻辑,可逆门,触发器,可逆计数器。 |
介绍 |
| 减少功耗仍然是主要目标的超大规模集成电路设计很多年了。R。蓝道在1960年代早期,不可逆转的硬件计算导致能量耗散由于信息丢失,无论其实现技术[2]。证明每一个比特的信息消散的损失至少KTln2焦耳的能量(热量),K是玻尔兹曼常数和T的绝对温度操作执行[2]。可逆逻辑电路理论上零内部功耗因为他们没有信息损失。班尼特表明,为了避免KTln2焦耳能量耗散的电路,它必须使用可逆逻辑门”[3]。可逆逻辑的应用程序是量子计算[12],光学计算[13]、超低功耗CMOS设计[14]和纳米技术[15]。 |
| 本文组织如下。第二部分给出了文献调查。第三部分介绍了可逆逻辑有关的基本定义。第四部分探讨了可逆逻辑门。第六部分V应用程序和部分结论。 |
文献调查 |
| 戈登。e·摩尔在1965年[1]预测芯片组件的数量将每隔18个月翻一倍。起初他预测只有10年,但由于集成电路技术的增长预测是有效的,直到今天。他的工作是公认的摩尔定律。仔细摩尔定律的影响进行了研究,研究人员得出结论,随着芯片组件的数量增加的功耗也会大大增加。它也预测的功率耗散量就等于火箭喷嘴散发出的热能。因此能量极小化已成为当今的一个重要因素VLSI工程师。 |
| 蓝道[2]确定的能量消散抹去每一个比特的信息至少kTln2 (k是波尔兹曼常数和T是室温)在任何计算中间部分用于计算最终结果是抹去。位的擦除功率损耗的主要原因之一。 |
| c·h·班尼特[3]在1973年发现任何设备的功耗可以零个或可以忽略不计,如果计算是利用可逆的模型来完成的。他证明了他的理论的帮助下图灵机计算引入了图灵是一个象征性的模型。贝内特还显示,不可逆转的或经典的机器上执行的计算可以执行相同的可逆机效率。基于上述概念研究可逆性是1980年开始的。 |
| 在1994年肖[4]做了一个引人注目的研究工作在创建一个算法使用可逆性分解大量经典计算理论相比,有更好的效率。这之后工作可逆计算被越来越多的人开始在不同领域如纳米技术、量子计算机和CMOS集成电路。 |
| 爱德华Fredkin和托马索Toffoli(5、6)基于可逆性的概念引入新的可逆盖茨Fredkin和Toffoli可逆的大门。这些门零功耗,盖茨作为普遍的可逆电路。这些门有三个输出和三个输入,因此他们被称为3 * 3可逆的大门。 |
| 佩雷斯[7]引入了一个新门称为佩雷斯门。佩雷斯门也是一个3 * 3门,但这不是一个普遍Fredkin和Toffoli登机口。尽管这门不是通用门广泛用于许多应用程序,因为它有量子通用门相比,成本更少。佩雷斯门口的量子成本是4。 |
| H Thalpliyal和N Ranganathan[8]发明了一种可逆称为TR登机口。引入这个可逆的TR门的主要目的是减少垃圾产出一个可逆电路。 |
| Fredkin和费曼门艺术相结合的一种新的被称为Sayem登机口是由苏帕拉山r s Chiwande Yelekar [10] Sayem门是一个4 * 4的门,用于设计连续可逆电路。 |
| 即使一些重要作品([16]-[17],[18])已经完成了领域的可逆的时序逻辑设计、可逆计数器的研究还没有完成。本文提出了一种新颖的概念在可逆的时序电路设计包括异步和同步计数器。 |
| H Thalpliyal和N Ranganathan[9]第一人引入可逆逻辑时序电路。他们成功地实现时序线路如D-latch T门闩,JK门闩和SR闭锁使用Fredkin和费曼门。后这项工作更多的研究使用可逆盖茨对时序电路。 |
| 马丁壮族和C.Y.王[11]提出,盖茨的数量,减少垃圾产出的数量实现门闩时,结果将[9]相比提高25%。基于上述研究和工作,我们要实现可逆逻辑概念顺序d触发器等电路,T-flip-flop和四位计数器[9]。 |
| 诉Rajmohan博士诉Ranganathan[22]在这个计数器使用可逆逻辑实现。同步和异步计数器设计应用程序构建可逆ALU,可逆处理器等等。这项工作形式的一个重要举措构建大型和复杂的时序电路可逆量子计算机。 |
页面的基本定义与可逆逻辑 |
| 答:可逆的功能: |
| 多输出逻辑函数F (x1, x2,…, xn) n的布尔变量称为可逆如果: |
| 1。数量的输出等于输入的数量。 |
| 2。有独特的原像任何输出模式。 |
| 换句话说,是那些执行可逆功能排列的输入向量的集合 |
| b .可逆逻辑门: |
| 可逆的门是一个逻辑单元,N N的输入和输出与输入和输出向量之间的一对一映射。逻辑单元的可逆的以下两个条件是不允许的。 |
| 1。直接从可逆扇出大门。 |
| 2。反馈从门直接向其输入输出。 |
| 不可逆转的XOR的框图和可逆的XOR门如图1所示 |
| c·盖茨可逆的数目(N):盖茨可逆电路中使用的数量。 |
| d .常数输入的数量(CI):这是指输入的数量保持不变在0或1为了合成给定的逻辑功能。 |
| 大肠的垃圾数量输出(去):这是指数量的未使用的输出出现在一个可逆电路。不能避免垃圾输出实现可逆性是非常必要的。 |
| f .量子成本(QC):这是指电路的成本的一种原始的成本。它知道的数量计算原始可逆逻辑门(1 * 1或2 * 2)需要实现电路。 |
| g .灵活性:这指的是普遍性的可逆逻辑门实现更多的功能。 |
| h·门水平:这是指的数量水平所需的电路实现给定的逻辑功能。 |
| 即硬件复杂性:这指的是总数的逻辑运算电路。意味着的总数,或与EXOR公司操作在一个电路 |
| j .可逆逻辑电路的设计约束:可逆逻辑电路设计中必须考虑以下几点达到一个优化的电路。 |
| •扇出是不允许的。 |
| •最小量子成本。 |
| •垃圾输出必须最低。 |
| •常数输入必须最低。 |
| •最小数量的逻辑深度或门的水平。 |
| •最小延迟。 |
可逆逻辑门 |
| 一个可逆逻辑门具有相同数量的输入和输出终端以及它们之间有一对一的映射。我们可以说,门是可逆的,如果我们可以确定输入向量从输出向量,反之亦然。可逆门应该几乎很少的能量。然而扇出扇出是不允许可逆电路可以通过使用额外的大门。在本文中,我们已经讨论了基本可逆像费曼登机口,Fredkin大门,Toffoli大门,佩雷斯门和Sayem门我们用于实现可逆的时序电路。 |
| 1。费曼门: |
| 费曼门是一个2 * 2通过可逆门如图2所示。输入向量是我(A, B)和输出向量是O (P, Q), P =定义的输出是一个Q = XOR B .量子费曼门成本是1。费曼门(FG)可以用作复制门。是不允许自扇出可逆逻辑,这个门是用于复制所需的输出[19]。 |
| 2。Toffoli门: |
| 图3显示了一个3 * 3 Toffoli门。输入向量是我(A, B, C)和输出向量是O (P, Q, R)。输出是由P =, = B, c R = AB XOR量子Toffoli门的成本是5 [5]。 |
| 3所示。Fredkin门: |
| 图4显示了一个3 * 3 Fredkin门。输入向量是我(A, B, C)和输出向量是O (P, Q, R),输出是由P =定义Q = A′B XOR AC和R = C′XOR AB。量子Fredkin门的成本是5 [6]。 |
| 4所示。佩雷斯门: |
| 图5显示了一个3 * 3佩雷斯门。输入向量是我(A, B, C)和输出向量是O (P, Q, R),输出是由P =定义Q = XOR B和C R = AB XOR量子佩雷斯门成本是4 [20]。 |
| 5。Sayem门: |
| 图6显示了4 x4 sayem门。输入向量是我(A, B, C, D)和输出向量是O (P, Q, R, S),输出是由P =定义Q = ' B XOR AC, R = ' B XOR AC XOR D S = AB XOR 'C XOR D [10]。 |
| 6。门闩 |
| 这里我们可以使用D-Latch或T-Latch取决于选择可用于实现可逆时序线路(柜台)[21]。 |
| 即D-LATCH: |
| D-Latch的特征方程是Q + = + E 'Q。它可以实现一个SG。它可以映射与SG给E, Q, D和0分别在1日,2日,3日和4日SG的输入。图7 (a)显示D-Latch只有Q的设计输出和图7 (b)显示的设计与输出Q可逆D-Latch和Q +。成品需要复制和生产问从SG的补图的设计7 (b) [24]。 |
| 二世。T-Flip失败 |
| 顾名思义,这个触发器电路用于切换输入时,输出高(1)和保留输入时,输出低(0),因此两个操作,它拥有过去的状态或切换输出。从本质上讲,它有一种逻辑与控制不对称操作。 |
| 可逆实现T触发器有两个SG盖茨和一费曼图8所示门[22]。 |
| 三世。4比特异步向上/向下计数器: |
| 可逆的设计异步向上/向下计数器图10所示[23]。这个可逆的向上/向下操作设计控制的控制输入上升/下降。1此控制输入时可逆的设计是一个计数器。这控制输入为0时可逆的设计是一个计数器[22]。 |
应用程序 |
| 可逆计算可能应用在计算机安全性和事务处理,但是主要的长期利益在这些地区将会感到很好需要高能源效率、速度和性能,包括区域 |
| •低功耗CMOS。 |
| •量子计算机。 |
| •纳米技术。 |
| •光学计算。 |
| •DNA计算。 |
| •计算机图形学。 |
| •沟通。 |
| •低功率设计算法和数字信号处理(DSP)的数据通路。 |
| •现场可编程门阵列(fpga)的CMOS技术。 |
结论和未来的范围 |
| 可逆电路形成量子计算机的基本构建块。本文从文献收集的原始可逆的盖茨和本文可以帮助研究人员/设计师在设计更高的复杂计算电路使用可逆盖茨。本文可以进一步扩展到数字设计开发使用可逆逻辑电路在量子计算是有帮助的,低功耗CMOS、纳米技术、密码学、光计算、DNA计算,数字信号处理(DSP),量子点细胞自动机,通信,计算机图形学。 |
| 这项工作形式的一个重要举措构建大型和复杂的时序电路可逆量子计算机。未来的工作可能是开发高效的可逆计数器和可逆的控制器电路。 |
表乍一看 |
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数据乍一看 |
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| 图1 |
图2 |
图3 |
图4 |
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| 图5 |
图6 |
图7 |
图8 |
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| 图9 |
图10 |
图11 |
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引用 |
- 戈登。e·摩尔,集成电路填满更多组件电子、卷38,8号),1965年4月19日。
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