Наноелектронні пристрої з програмованими структурами Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.382:62-1/-9(045)

О. С. МЕЛЬНИК, В. O. КОЗАРЕВИЧ, С. В. ТОДАВЧИЧ

НАНОЕЛЕКТРОННІ ПРИСТРОЇ З ПРОГРАМОВАНИМИ СТРУКТУРАМИ

Описується автоматизоване проектування наноелектронних схем з програмованими структурами на квантових мажоритарних компонентах. Пропонуються методи побудови арифметико-логічних обчислювальних пристроїв комбінаційного та послідовностного типів, які реалізують практично повну систему логічних функцій як в мажоритарному, так і в булевому базисах.

Вступ. Усунути протиріччя між спеціалізацією і універсальністю можна шляхом розробки програмованих наноелектронних пристроїв (ПНЕП), алгоритми роботи яких можуть бути змінені на вимогу розробника конкретної обчислювальної апаратури, тобто шляхом створення арифметико-логічних схем з програмованими характеристиками.

Актуальність досліджень. Розробка питань теорії і практики використання мажоритарного принципу є актуальною проблемою, оскільки при наноелектронному виконанні обчислювальних систем з програмованими структурами значно знижується їх вартість і спрощується етап автоматизованого системотехнічного проектування. Одна програмована наносхема замінює від 30 до 150 інтегральних схем середнього ступеня інтеграції.

Постановка завдання. Розробка принципів побудови надійних засобів обчислювальної техніки є важливою проблемою. Застосування математичного і схемотехнічного аналізу поряд з автоматизованими системами проектування (САПР) дозволяє в значній мірі підвищити надійність пристроїв, які проектуються.

Основний матеріал. Найбільш перспективним напрямком розвитку наноелектроніки є створення багатоелементних функціональних субсистем, коли в одному модулі об’єднується велика кількість логічних елементів в єдиний функціональний вузол, призначений для реалізації складних логічних функцій. Ці субсистеми повинні відповідати таким основним вимогам:

- мати мінімальне число зовнішніх зв’язків;

- володіти апаратурною сумісністю;

- використовувати по можливості однотипні комірки;

- володіти властивістю нарощування, тобто мати гнучку структуру.

Для реалізації систем зі змінною структурою (адаптивних систем), крім того, необхідно мати можливість програмно змінювати технічні параметри субсистем в процесі чи перед початком роботи. З точки зору здешевлення виробництва наноелектронних субсистем і підвищення надійності їх роботи доцільно виконувати їх на одному типі комірок з однаковою конфігурацією з’єднань між ними.

Як комірку для побудови мажоритарних адаптивних систем (МАС) можна використовувати програмований наноелек-тронний пристрій (ПНЕП), який складається з трьох універсальних мажоритарних елементів (УМЕ), відповідним чином з’єднаних між собою (рис. 1).

На входи ПНЕП подаються інформаційні (Х3, x2, Х1, xo) і

програмуючі (r2, r1, Го) сигнали [1].

За допомогою ПНЕП такого типу можна реалізувати всі 16 і 256 функцій двох і трьох аргументів, в тому числі функції суми, різниці, добутку, переносу і займу, функції одного, двох і трьох елементів пам’яті, а також більшість функцій чотирьох і п’яти аргументів. Особливістю ПНЕП є те, що можна змінити по програмі його логічні можливості і зв’язки, що дозволяє

універсального програмованого наное-лектронного пристрою

65

використовувати його для побудови МАС. В табл. 1 наведені найбільш важливі функції в мажоритарному базисі, які реалізуються на базі ПНЕП.

ПНЕП є функціонально повним пристроєм, оскільки в його склад входять функціонально повні УМЕ.

Синтез мажоритарних систем на базі ПНЕП рекомендується проводити в такому порядку:

Задані чи отримані булеві функції представляються в мажоритарному базисі.

Проводиться мінімізація отриманої мажоритарної функції.

В табл. 1 відшукується рядок, еквівалентний мінімальній формі мажоритарної функції.

Складається структурна схема заданої субсистеми з врахуванням можливостей ПНЕП і заданої кількості входів.

Функціонування систем на квантових коміркових автоматах (КА) ґрунтується на взаємодії кулонівських сил квантових точок для здійснення логічних функцій. Вони розроблені для зменшення застосування транзисторів і вирішення проблем щільності та з’єднання пристроїв. Комірковий автомат - це згруповані квантові точки, поєднані тунельними переходами та конденсаторами. Квантові точки являють собою регіони низького потенціалу, які оточені кільцем високого потенціалу. Є декілька способів їх формування, але найзагальні-ший з них - металізація. У коміркових автоматах чотири квантові точки з кремнію розміщуються в кутках діелектричного квадрата. Кожен автомат містить у собі два електрони, які внаслідок дії кулонівських сил відштовхування розміщуються діагонально, у протилежних кутках (рис. 2). Два можливі розміщення цих електронів позначено як поляризації комірок P = -1 та P = +1 [2].

Рис. 2. Квантові комірки в станах логічного нуля та логічної одиниці В табл. 1 x6,x5,x4,x3,x2,xi,x0 - вхідні інформаційні сигнали, представлені або в прямому, або в інверсному кодах; 12,11,10 -сигнали програмування; Q3, Q2,Qi - вихідні сигнали.

Синтезуємо за допомогою САПР QCA Designer [3] функцію логічного додавання чотирьох аргументів:

Q2 = x3 v x2 V x1 V x0 , (1)

якій відповідає мажоритарний еквівалент у восьмому рядку табл. 1.

На двох додаткових виходах ПНЕП формуються функції логічного додавання попарно двох з чотирьох аргументів:

Q1 — x3 v x2 — maj(x3, x2,1), (2)

Q3 — x1 V x0 — maj(x1,x0,1). (3)

Результати проектування. Для програмування функцій (1), (2) та (3) слід в структурній схемі ПНЕП (див. рис. 1) ключі S1 та S2 перекомутувати в стан 0, а на програмуючих входах встановити поляризації P = +1, тобто ^ = r = і0 = 1.

На рис. 3, а наведена схема ПНЕП, яка побудована на робочому полі САПР QCA Designer [3]. Вона складається з 55 квантових комірок розміром 18х18 нм з 4 квантовими точками діаметром 5 нм і відстанню між центрами 20 нм. Загальний розмір ПНЕП

(198х318) нм2. Він має чотири інформаційні входи x3, x2, x1 та x0 , три програмуючих входи з поляризаціями P = +1 і три пари комплементарних виходів Q1,Q2 і Q3 .

66

Таблиця 1

Приклади найбільш важливих функцій, які можна реалізувати на ПНЕП

№ Г2 Г1 г0 Q1 Q2 Q3 Число вих. функц ій

1 0 0 0 шаі(Хз, Х2,0) maj(x3 Х2, x4x2,0) maj(x1,x0,0) 24

2 0 0 1 шаі(Хз,Х2,0) maj(x3x2,xj v Х0,0) maj(xj,xj,1) 24

3 0 1 0 maj(x3, Х2,0) maj(x3x2,xxx0,1) maj(x1,x0,0) 24

4 0 1 1 maj(x3,x2,0) maj(x3x2,xj v Х0,1) maj(x1,x1,1) 24

5 1 0 0 maj(x3, x2,1) maj(x3 v x2,xjx0,0) maj(x1,x0,0) 24

6 1 0 1 maj(x3,x2,1) maj(x3 v x2,xj v Х0,0) maj(xj,xj,1) 24

7 1 1 0 maj(x3,x2,1) maj(x3 v x2,xjx0,1) maj(x1,x0,0) 24

8 1 1 1 maj(x3,x2,1) maj(x3 v x2,xj v Х0,1) maj(xj,xj,1) 24

9 0 0 Х4 maj(x3,x2,0) maj(x3x2,maj(x1,x0,x4),0) maj(x1,x0,x4) 44

10 0 Х4 0 maj(x3, Х2,0) maj(x3x2,x!x0,x4) maj(x1,x0,0) 40

11 0 Х4 Х5 maj(x3, Х2,0) maj(x3x2,maj(x1,x0,x5),x4) maj(x1,x0,x5) 76

12 Х4 0 0 maj(x3,x2,x4) maj(maj(x3,x2,x4),x1x0,0) maj(x1,x0,0) 44

13 Х4 0 Х5 maj(x3,x2,x4) maj(maj(x3 ,Х2 ,x4),maj(x1,x0 ,Х5 ),0) maj(x1,x0,x5) 48

14 Х4 Х5 0 maj(x3,x2,x4) maj(maj(x3,x2,x4),x1x0,x5) maj(x1,x0,0) 76

15 Х4 Х5 Хб maj(x3,x2,x4) maj(maj(x3,x2,x4),maj(x!,x0,x6),x5) maj(x1,x0,x6) 80

16 1 Q2 0 maj(x3,x2,1) maj(x3 v x2,x1x0,Q2) maj(x1,x0,0) Тригер управл. вх-ми

17 Q1 0 Q3 maj(x3,x2,Q1) maj(maj(x3,x2,Q1),maj(x1,x0,Q3),0) maj(x1,x0,Q3) Два тригери

18 Q1 Q2 Q3 maj(x3,x2,Q1) maj(maj(x3,x2,Q1),maj(x1,x0,Q3),Q2) maj(x1,x0,Q3) Три тригери

19 Q2 Q2 Q2 maj(x3,x2,Q1) maj(maj(x3,x2,Q2),maj(x1,x0,Q2),Q2) maj(x1,x0,Q2) Накоп. суматор

Результати автоматизованого моделювання часових характеристик ПНЕП показані на рис. 3, б. Позитивним імпульсам відповідають позитивні поляризації P = +1, а негативним -від’ємні поляризації P = -1. Відповідна таблиця істинності ПНЕП для цього режиму програмування наведена в табл. 2.

67

Х.З о о о о оо ZZ оо

Х2 |?ЖІ Ж] оо оо оо о оИооі Q1 '

о о оо 0 • ♦ 0 оо о'о оо оо оо оо оо о о о'о 0 0 0 0

1,00

0 SISSI HotQl

1,00 gxl фФ О'О о о 0 Ф о'о О ОІООІ Q2

оо о'о оо оо оо оо оо о о о'о 0 0 0 0

1,00 0 • + о ї&щ SSIS-SI Not02

оо

Y1 ІООІООІ Л1 ІООІООІ 0 0 0 0 юоЬоо ІООІОО bohoo ООІОО 0 0 оо S-SKSIQ3-

хо 0 0 оо 0 0 0 0 о о оо 0 0 0 0 ООІООІ NotQ3

шах 1,ООе+ОМ хз тії: -1.009*000

і*ва_|^

І», j. J2JSL еі І

max 1.006+000 Х2 гіп: -I.OOe+W 1 - — - - —

t” . і™. ■ ■' ■' -few. ізрив. 1.1.1. , їзді, і .

тю: 1.006+000' - -у - - - р - ■

тії: И.ООй+ООО

.....І'РИ '. »■ ' -few......tew ......їзда. 1.1.!. І6РШ І ,

тю. 1.00е+000 ХЙ

ткі>1.00а+000

Ш. І. І...І’И°. ■.».!. ІДРЧ°....їзди ■, 1,1. Ит..........їзді. і....Івдс, Г, і. І

t 9.53eJW1 Ql

-9.S3e-C01

ІГ_: л л: ^;:и.:пл: zn :q:z hiiiid

______I».....I'W, їздо........EmT ,~I. I. mw.їзді...Iww

":ufcd i_. -Г-.П-ПлііТ-х,..,.

я: -9,53e-00l| I U ^ ^ ^ ^ ^

І». I ■ ......urn I. L. I, law...............їзди I, I, I. І1И0..............ІЗД°...........ІЗД». ,,

“Гїї ^ _q; ;q г; . ( ПП ГЇ | ур_ п п ( ГГ

І тю.

І тії: “ЗДЗв-ООі

а б

Рис. 3. Автоматизоване проектування ПНЕП комбінаційного типу на КА

Таблиця 2

Таблиця істинності функцій maj(x3,x2,1), maj(x3 v X2,Xj v x0,1) та maj(x1,x0,1)

x3 x2 x1 x0 Q1 Q2 Q3

0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 1 0 1 1

0 0 1 0 0 1 1

0 0 1 1 0 1 1

0 1 0 0 1 1 0

0 1 0 1 1 1 1

0 1 1 0 1 1 1

0 1 1 1 1 1 1

1 0 0 0 1 1 0

1 0 0 1 1 1 1

1 0 1 0 1 1 1

1 0 1 1 1 1 1

1 1 0 0 1 1 0

1 1 0 1 1 1 1

1 1 1 0 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1

За допомогою змін поляризації на входах r2, r0 та перекомутації ключів S1 та S2

семивходовий ПНЕП (див. рис.1) можна запрограмувати для отримання 192 логічних функцій дво- та чотиривходових комбінаційних схем [4]. Наприклад, для першого варіанту програмування Г2 = r = іо = 0 синтезовані елементи логічного перемноження: Q1 = x3x2 , Q2 = x3x2x1x0 , Q3 = x1x0 .

Сума попарних добутків чотирьох аргументів Q2 = x3x2 v x1x0 реалізована в третьому варіанті табл. 1, а добуток попарних сум Q2 = (x3 v x2)(x1 v x0) - у шостому.

Далі синтезуємо послідовностну схему 17-го варіанту з табл. 1 у складі двох RS-тригерів з роздільними входами x3, x2 і x1, x0, охопленими зворотними зв’язками r2 = Q1 і r0 = Q3. Прямі виходи Q1 і Q3 цих тригерів об’єднані по третьому мажоритарному елементу (див. рис. 1), який в цьому випадку реалізує операцію логічного множення maj(Q1, Q3,0). На рис. 4, а побудована ця послідовностна наноелектронна схема у форматі системи QCA Designer, а

68

результати її часового моделювання наведені на рис. 4, б. Вона має розмір (258x338) нм2 і складається з 81 КА.

Перевірочна таблиця станів двотригерного ПНЕП подана в табл. 3.

а б

Рис. 4. Автоматизоване проектування послідовностного ПНЕП на КА

Таблиця 3

Таблиця істинності функції maj(maj(x3 ,X2,Qi), maj(xi, x0, Q3XO)

x3 X2 x1 X0 Q1 Q2 Q3

0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 1 0 0 0

0 0 1 0 0 0 0

0 0 1 1 0 0 1

0 1 0 0 0 0 0

0 1 0 1 0 0 0

0 1 1 0 0 0 0

0 1 1 1 0 0 1

1 0 0 0 0 0 0

1 0 0 1 0 0 0

1 0 1 0 0 0 0

1 0 1 1 0 0 1

1 1 0 0 1 0 0

1 1 0 1 1 0 0

1 1 1 0 1 0 0

1 1 1 1 1 1 1

Висновки. У найближче десятиріччя напівпровідникові компоненти ВІС досягнуть квантово-технологічних обмежень і не зможуть відповідати наростаючим вимогам ефективності обчислювальної техніки. Тому так активно розробляються нові нанотехнології, які б забезпечили суттєво вищу ефективність. Однією з таких розробок є квантові коміркові автомати і створені на їх основі системи з програмованими структурами. Як доведено вище, саме такі пристрої забезпечать реалізацію повної системи логічних функцій як для комбінаційних, так і для послідовностних арифметико-логічних обчислювальних пристроїв. Список літератури: 1. ПакуловН. И., УхановВ. Ф., Чернышов П. Н. Мажоритарный принцип построения надежных узлов и устройств ЦВМ/Н. И. Пакулов. М.: Сов. радио, 1974, 184 с. 2. Мельник О. С. Автоматизоване моделювання наносхем на квантових коміркових автоматах / О.С. Мельник, В.В. Івахнюк // Електроніка та системи управління. 2011. №2 (28). 8 с. 3. Walus K. QCA Designer: A Rapid

69

Design and Simulation Tool for QCA/K. Walus// Internet journal of Nanotech. and Appl. 2005. Vol.2. №1. P.1 - 7. 4. Пакулов Н. И., Уханов В. Ф. Расчет и экпериментальные исследования мажоритарных элементов интегрального типа. В кн. Приборы и системы автоматики. Изд-во Харьк. ун -та. 1971. Вып. 19 . С.37-44.

Надійшла до редколегії 23.12.2013

Мельник Олександр Степанович, канд. техн. наук, доцент кафедри електроніки Національного авіаційного університету. Наукові інтереси: наноелектроніка, системи автоматизованого проектування, моделювання одноелектронних схем. E-mail: [email protected], тел.: (050) 5501090, (093) 9945251.

Козаревич Вікторія Олександрівна, асистент кафедри електроніки Національного авіаційного університету. Наукові інтереси: цифрова наноелектроніка, математичне моделювання одноелектронних схем. E-mail: [email protected]

Тодавчич Сергій Васильович, студент кафедри кафедри електроніки Національного авіаційного університету. Наукові інтереси: моделювання одноелектронних схем. E-mail: [email protected].

УДК 519.6

В.М. ПОПОВ, М.В. НОВОЖИЛОВА, И.А. ЧУБ

МЕТОД ОПТИМИЗАЦИИ МНОГОЭТАПНЫХ ПРОГРАММ ПОВЫШЕНИЯ УРОВНЯ ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РЕГИОНА

Предлагается и исследуется математическая модель оптимизационной задачи повышения уровня техногенной безопасности региона в рамках многоэтапных программ обеспечения безопасности региональных социально-экономических систем. Представляется метод ее решения, который отличается от предложенных ранее учетом специфики формирования функции цели и ограничений рассматриваемой оптимизационной задачи, а также построением модификации аддитивного алгоритма Балаша.

1. Введение

При решении задачи обеспечения техногенной безопасности территорий и населения необходимо учитывать постоянное повышение требований к системе гражданской защиты как по ее составу, так и по качеству управления [1,2], наличие дефицита финансовых и материальных ресурсов государства и предприятий, высокий износ основных фондов территориальных (региональных, местных) подсистем гражданской защиты и предприятий.

Одним из этапов управления является определение текущего уровня техногенной безопасности региона и решение двух взаимосвязанных задач: разработка стратегии повышения уровня техногенной безопасности, а также обеспечение текущего уровня безопасности региона с учетом фактора старения основных фондов предприятий, ухудшения состояния инженерной инфраструктуры городов, понижения рекреационных способностей региона.

Решение этих задач, как правило, осуществляется в рамках многоэтапных программ обеспечения безопасности в региональных социально-экономических системах.

2. Анализ предыдущих исследований

Различным аспектам оценки и обеспечения техногенной безопасности потенциально опасных объектов (ПОО) посвящено множество научных публикаций. В работе [3] обсуждался переход от концепции «абсолютной» безопасности к концепции «приемлемого» риска. Вопросы создания формальных средств оценки эффективности региональной системы гражданской защиты как целенаправленной системы изучались в [4-6].

Модели разработки многоэтапных программ обеспечения безопасности в региональных системах и методы решения соответствующих оптимизационных задач рассматривались в работах В. Н. Буркова, А. Ф. Грищенко [7], А. И. Хлытчиева [8] и других авторов.

Анализ этих и других публикаций показывает, что инструментальные средства математического моделирования и решение задачи повышения уровня техногенной безопасности

70