量子元胞自动机电路可靠性和耦合功能阵列实现研究

本项目拟分别从量子元胞自动机（QCA）耦合功能阵列结构的特性和可靠性以及大规模阵列构建的角度来探索QCA电路的缺陷理论、设计和可靠性问题。针对两种QCA器件（电性:EQCA和磁性:MQCA）开展如下研究工作：首先理论研究电性EQCA的量子点旋转缺陷，据此得出电性EQCA电路在一定缺陷分布下的操作成功率。其次，实验研究磁性MQCA功能阵列结构的制备和基本逻辑门电路在纳磁体厚度和间距变化下的转换特性和可靠性。进一步研究实现不同磁性MQCA门结构的可靠互连方法，给出磁电信号通用接口的实现结构。再次，使用概率转移矩阵和代数判决图方法来建模和分析单个不同结构QCA电路设计的可靠性，进而对设计的电路结构进行优化，构建具有更高整体可靠性的电路结构。最后设计出电性EQCA时序电路和存储器阵列结构，为今后QCA电路和新型存储单元的实现奠定理论基础。

量子元胞自动机（Quantum-dot Cellular Automata, QCA）是一种非常重要的后CMOS器件技术，在无线集成电路、抗辐射电子系统、量子计算、自治传感器、细胞神经网络等诸多领域具有广泛应用，是近年来微纳电子器件及电路领域的前沿和热点。在国家自然科学基金（批准号：61172043）的资助下，空军工程大学蔡理教授等人开展了QCA器件可靠性及缺陷故障模型、耦合功能阵列构建及可编程结构、磁电接口实现、器件非线性特性、电路制备等系统性的研究工作，取得了一系列重要成果。.1. 创造性地将角度参数引入电性QCA（EQCA）可靠性研究领域，建立了EQCA器件的元胞旋转效应模型，对存在旋转缺陷的EQCA电路性能进行了计算和仿真，得出了不同电路结构的元胞可旋转范围和容错能力。所得结果为EQCA器件及电路的可靠应用和实验加工提供了重要的理论参数。.2. 提出了一种基于时间分路复用的多相位流水线时钟信号方案。通过合理地设置时钟信号的“保持”时间和电压时序，该流水线时钟能够确保平面内两条垂直交叉互连线中的信号传递。给出了一种所提出时钟信号方案与传统四相位时钟信号的同步方法。.3. 提出了驱动MQCA结构的三相位流水线时钟方案，找到了诱发MQCA电路结构工作不稳定性的纳磁体器件几何参数范围。在此基础上，建立了流水线MQCA结构的时钟误放模型，找到了导致时钟误放MQCA结构操作失败的原因。探索出了一种具有普适性的MQCA制备工艺参数，首次成功制备出了有利于实现大规模非对称耦合的MQCA拐角互连线功能结构。该成果为空间抗辐射电路的制备和实现开辟了新的技术途径。.4. 基于双势垒磁性隧道结和片上时钟结构，提出了两种MQCA的数据读出接口电路。研究了接口电路在SEE下的可靠性，给出两种抗辐射加固方法。此接口电路的优势在于：无需参考单元和外加时钟，即可实现磁电转换功能。该成果实现了QCA与CMOS信号的交互转换。.5. 建立了EQCA基本器件的故障树模型，使用基于二叉决策图的故障树分析法（BDD-FTA）对QCA逻辑功能阵列进行了可靠性评估。与目前EQCA逻辑功能阵列可靠性评估时经常采用的概率转移矩阵法相比，BDD-FTA法弥补了PTM法不能反映输入信号对EQCA逻辑功能阵列可靠性的影响这一缺陷，并能够精确地定位影响EQCA逻辑功能阵列整体可靠性的重要器件。