• 문화기술의 융합
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• 제6권2호
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• pp.521-527
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• 2020

양자점 셀룰러 오토마타(QCA: Quantum-dot cellular automata)는 차세대 디지털 회로설계 기술로서 주목받는 기술이며, 여러 디지털 회로들이 QCA 환경에서 제안되고 있다. 내용주소화 메모리(CAM: Content-addressable memory)는 내부에 저장된 정보를 바탕으로 탐색을 진행하는 저장장치이며, 네트워크 스위칭 등 특수한 과정에서 빠른 속도를 제공한다. QCA 환경에서 제안된 기존의 CAM 셀 회로들은 필요 면적과 에너지 손실이 크다는 단점이 있다. CAM 셀은 정보가 저장되는 메모리 부와 탐색의 성공 여부를 판단하는 판단부로 구성되며, 본 연구에서는 메모리 부를 다층구조로 설계하여 개선된 QCA CAM 셀을 제안한다. 제안한 회로는 시뮬레이션을 사용하여 동작을 검증하며 기존 회로와 비교 및 분석한다.

• Advances in nano research
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• 제15권6호
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• pp.521-531
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• 2023

Quantum-dot cellular automata (QCA) has shown great potential in the nanoscale regime as a replacement for CMOS technology. This work presents a specific approach to static random-access memory (SRAM) cell based on 2:1 multiplexer, 4-bit SRAM array, and 32-bit SRAM array in QCA. By utilizing the proposed SRAM array, a single-layer 16×32-bit SRAM with the read/write capability is presented using an optimized signal distribution network (SDN) crossover technique. In the present study, an extremely-optimized 2:1 multiplexer is proposed, which is used to implement an extremely-optimized SRAM cell. The results of simulation show the superiority of the proposed 2:1 multiplexer and SRAM cell. This study also provides a more efficient and accurate method for calculating QCA costs. The proposed extremely-optimized SRAM cell and SRAM arrays are advantageous in terms of complexity, delay, area, and QCA cost parameters in comparison with previous designs in QCA, CMOS, and FinFET technologies. Moreover, compared to previous designs in QCA and FinFET technologies, the proposed structure saves total energy consisting of overall energy consumption, switching energy dissipation, and leakage energy dissipation. The energy and structural analyses of the proposed scheme are performed in QCAPro and QCADesigner 2.0.3 tools. According to the simulation results and comparison with previous high-quality studies based on QCA and FinFET design approaches, the proposed SRAM reduces the overall energy consumption by 25%, occupies 33% smaller area, and requires 15% fewer cells. Moreover, the QCA cost is reduced by 35% compared to outstanding designs in the literature.

• ETRI Journal
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• 제45권3호
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• pp.534-542
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• 2023

The large amount of secondary effects in complementary metal-oxide-semiconductor technology limits its application in the ultra-nanoscale region. Circuit designers explore a new technology for the ultra-nanoscale region, which is the quantum-dot cellular automata (QCA). Low-energy dissipation, high speed, and area efficiency are the key features of the QCA technology. This research proposes a novel, low-complexity, QCA-based one-bit digital comparator circuit for the ultra-nanoscale region. The performance of the proposed comparator circuit is presented in detail in this paper and compared with that of existing designs. The proposed QCA structure for the comparator circuit only consists of 19 QCA cells with two clock phases. QCA Designer-E and QCA Pro tools are applied to estimate the total energy dissipation. The proposed comparator saves 24.00% QCA cells, 25.00% cell area, 37.50% layout cost, and 78.11% energy dissipation compared with the best reported similar design.

• 한국산업정보학회논문지
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• 제19권6호
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• pp.33-41
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• 2014

본 논문에서는 QCA(quantum-dot cellular automata) 클록킹(clocking) 방식의 D 플립 플롭의 구조를 제안하고, 이를 이용하여 프로그램 가능한 양자점 셀(programmable quantum-dot cell: QPCA) 구조를 설계한다. 기존의 QCA 상에서 제안된 D 플립플롭은 클록 펄스의 신호로 동작을 수행하기 때문에 이에 대한 입력 값을 임의로 설정해야 하고, QCA 클록킹과 중복되어 사용하기 때문에 낭비되는 출력 값들이 존재했다. 이러한 단점을 개선하기 위해서 이진 배선과 클록킹 기법을 이용하여 새로운 형태의 D 플립플롭을 제안하고, 이를 이용하여 QPCA 구조를 설계한다. 이 구조는 입력을 제어하는 배선 제어 회로, 규칙 제어 회로, D 플립플롭, 그리고 XOR 논리 게이트로 구성된다. 설계된 QPCA 구조는 QCADesigner를 이용하여 시뮬레이션을 수행하고, 그 결과를 기존의 D 플립플롭을 이용하여 설계한 것과 비교 분석하여 효율성을 확인한다.

• ETRI Journal
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• 제34권2호
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• pp.284-287
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• 2012

Quantum-dot cellular automata (QCA) is one of the few alternative computing platforms that has the potential to be a promising technology because of higher speed, smaller size, and lower power consumption in comparison with CMOS technology. This letter proposes an optimized full comparator for implementation in QCA. The proposed design is compared with previous works in terms of complexity, area, and delay. In comparison with the best previous full comparator, our design has 64% and 85% improvement in cell count and area, respectively. Also, it is implemented with only one clock cycle. The obtained results show that our full comparator is more efficient in terms of cell count, complexity, area, and delay compared to the previous designs. Therefore, this structure can be simply used in designing QCA-based circuits.

• 문화기술의 융합
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• 제6권2호
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• pp.515-520
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• 2020

디지털 회로설계 기술에서 사용되는 CMOS는 양자 터널링 현상 등으로 인해 집적도의 한계에 다다르고 있다. 이를 대체할 수 있는 양자점 셀룰러 오토마타(QCA : Quantum-dot Cellular Automata)는 적은 전력 소모와 빠른 스위칭 속도 등으로 많은 장점이 있음으로 CMOS의 많은 디지털 회로들이 QCA 기반으로 제안되었다. 그중에서도 멀티플렉서는 D-플립플롭, 레지스터 등 다양한 회로에 쓰이는 기본 회로로써 많은 연구가 되고 있다. 하지만 기존의 멀티플렉서는 공간 효율성이 좋지 않다는 단점이 있다. 따라서, 본 논문에서는 셀 간 상호작용을 이용하여 새로운 다층구조 멀티플렉서를 제안하고, 이를 이용하여 D-래치를 제안한다. 본 논문에서 제안하는 멀티플렉서와 D-래치는 면적, 셀 개수, 지연시간이 개선되었으며, 이를 이용하여 큰 회로를 설계할 시 연결성과 확장성이 우수하다. 제안된 모든 구조는 QCADesigner를 이용해 시뮬레이션하여 동작을 검증한다.

• ETRI Journal
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• 제42권6호
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• pp.912-921
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• 2020

Quantum-dot cellular automata (QCA) is an alternative complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology that is used to implement high-speed logical circuits at the atomic or molecular scale. In this study, an optimal 2-to-4 decoder in QCA is presented. The proposed QCA decoder is designed using a new formulation based on the MV32 gate. Notably, the MV32 gate has three inputs and two outputs, which is equivalent two 3-input majority gates, and operates based on cellular interactions. A multilayer design is suggested for the proposed decoder. Subsequently, a new and efficient 3-to-8 QCA decoder architecture is presented using the proposed 2-to-4 QCA decoder. The simulation results of the QCADesigner 2.0.3 software show that the proposed decoders perform well. Comparisons show that the proposed 2-to-4 QCA decoder is superior to the previously proposed ones in terms of cell count, occupied area, and delay.

• 예술인문사회 융합 멀티미디어 논문지
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• 제7권3호
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• pp.301-310
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• 2017

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.

• 대한전기학회:학술대회논문집
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• 대한전기학회 2006년 학술대회 논문집 정보 및 제어부문
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• pp.139-141
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• 2006

Quantum-dot Cellular Automata (QCA) is one of the most promising next generation nano-electronic devices which will inherit the throne of CMOS which is the domineering implementation technology of large scale low power digital systems. In late 1990s, the basic operations of the QCA cell were already demonstrated on a hardware implementation. Also, design tools and simulators were developed. Nevertheless, its design technology is not quite ready for ultra large scale designs. This paper proposes a new approach which enables the QCA designs to inherit the verification methodologies and tools of CMOS designs, as well. First, a set of disciplinary rules strictly restrict the cell arrangement not to deviate from the predefined structures but to guarantee the deterministic digital behaviors. After the gate and interconnect structures of the QCA design are identified, the signal integrity requirements including the input path balancing of majority gates, and the prevention of the noise amplification are checked. And then the digital logic is extracted and stored in the OpenAccess common engineering database which provides a connection to a large pool of CMOS design verification tools. Towards validating the proposed approach, we designed a 2-bit QCA adder. The digital logic is extracted, translated into the Verilog net list, and then simulated using a commercial software.

• 대한전자공학회논문지SD
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• 제46권1호
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• pp.107-116
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• 2009

QCA는 현재 초고집적 저전력 디지털 시스템 구현 기술의 왕좌를 차지하고 있는 CMOS의 자리를 상속받을 가장 장래성 있는 차세대 나노 전자 소자 중 하나이다. QCA 셀의 하드웨어 기본 동작은 이미 1990년대 후반에 실험을 통하여 증명되었다. 또한 회로를 설계할 수 있는 전용설계 도구와 시뮬레이터도 개발되었다. 그러나 기존의 QCA 설계 기술은 초대규모 설계에 대한 준비가 부족하다. 본 논문은 기존의 대규모 CMOS 설계에서 사용되었던 검증 방법들과 도구를 QCA 설계에서 그대로 활용할 수 있는 새로운 접근 방법을 제시한다. 첫째로 셀 배치를 미리 정의된 구조에서 벗어나지 않도록 엄격하게 제한함으로써 항상 일관성 있는 디지털 동작을 보장하는 설계 규칙을 제안한다. 다음, QCA 설계의 게이트 및 상호연결 구조를 인식한 후 다수결 게이트의 입력 경로 균형과 잡음 증폭 방지 등을 포함하는 신호 충실도 보장 조건을 검사한다. 마지막으로 디지털 논리를 추출하여 OpenAccess 공통 데이터베이스로 저장하면 이미 CMOS 설계에서 사용되고 있는 풍부한 검증 툴과 연결되어 그들을 사용할 수 있게 된다. 제안된 방식을 검증하기 위해 2-비트 가산기 및 비트-직렬 가산기, 그리고 ALU 비트 슬라이스를 설계하였다. 디지털 논리를 추출하여 Verilog 넷 리스트를 생성시킨 후 상업용 소프트웨어로 시뮬레이션 하였다.