基于RTD的可编程逻辑模块及数字系统设计研究

According to Moore's Law，CMOS technology will face fundamental physics limitations in the next decade, so it's necessary to investigate on a new generation of integrated circuits. The resonant tunneling diode (RTD) is nowadays considered the most mature type of nanoelectronic device, and is the most promising candidate to be the next generation of integrated circuit devices. However, there is no programmable RTD logic module with simple structure and without changing the structure and parameters to implement digital circuits, and there is no the corresponding function synthesis algorithm. Also, there is no network structure which can implement arbitrary logic function by programming a kind of RTD logic module. In this project, a RTD-based programmable three-variable universal threshold logic gate (RTD-PTUTLG) will be proposed and designed, and the corresponding function synthesis algorithm based on RTD-PTUTLGs will be presented; a RTD-based programmable logic module (RTD-PLU) will be proposed and designed, and also, a three-layer threshold network and the corresponding logic function synthesis algorithm based on RTD-PLUs to implement arbitrary logic functions will be proposed. The designed RTD-PTUTLG and RTD-PLU have simple structures and do not need to change the structures and parameters to implement circuits; the proposed logic function synthesis algorithms are simple; the logic circuits implemented by RTD-PLU which only need three-layer threshold network and use fewer elements. The project provides programmable logic modules and design techniques for high-performance RTD-based digital integrated circuits.

根据摩尔定律，预计10年后CMOS工艺将逼近物理极限，为此必须研究新一代集成电路。RTD是目前唯一能用常规IC技术设计和制造的纳米电子器件，是最有前景成为下一代集成电路的候选器件。目前尚无结构简单、实现电路时不需改变结构及参数的RTD可编程逻辑模块及相应的函数综合算法，缺乏可用单一逻辑模块组成的网络编程实现任意逻辑函数的电路结构。本项目将设计一种RTD可编程三变量通用阈值逻辑门RTD-PTUTLG，提出基于RTD-PTUTLG的函数综合算法；设计一种RTD可编程逻辑模块RTD-PLU，提出基于RTD-PLU的实现任意逻辑函数的三层电路网络结构及函数综合算法。本项目设计的RTD-PTUTLG和RTD-PLU结构简单、实现电路时不需改变结构及参数；提出的函数综合算法简单；用RTD-PLU实现的逻辑电路只需三层结构，速度快。本项目研究为基于RTD的高性能数字集成电路提供可编程电路模块和设计技术。

随着工艺的发展，CMOS集成电路将逼近物理极限，为此研究开发下一代集成电路成为国际上一项重要研究工作。共振隧穿二极管(Resonant Tunneling Diode，RTD)具有高速、低功耗、高集成度等优秀特性，且能够使用常规IC技术设计和制造，是目前最有可能成为下一代集成电路的器件之一。为此研究基于RTD的数字集成电路设计具有重要的意义。可编程通用逻辑模块电路，只需一种电路模块即可通过对多个可编程逻辑模块输入输出进行编程连接实现任意n变量逻辑函数电路，可编程逻辑模块电路具有设计灵活、使用方便等特点，适合作为大规模集成电路的单元模块。本项目研究了基于RTD的可编程通用逻辑模块电路设计，并提出相应的函数综合算法，为下一代基于共振隧穿二极管RTD的数字集成电路及系统设计提供了器件和技术基础。本研究项目具体研究成果主要有：设计了一种RTD可编程三变量通用阈值逻辑门UTLG （Universal Threshold Logic Gate），并提出了将任意n变量逻辑函数分解为三变量阈值函数组合方法，从而可以用UTLG实现任意数字电路；设计了一种RTD可编程三变量通用逻辑门ULG3（Three-Variable Universal Logic Gate），并提出了将任意n变量逻辑函数分解为三变量函数组合方法，从而可以用ULG3实现任意数字电路；设计了一种RTD可编程逻辑门PLG(Programmable Logic Gate)，提出了一种基于PLG的实现任意逻辑函数的三层电路网络结构，并进一步提出了用RTD可编程逻辑门PLG和三层电路网络结构实现任意数字电路方法。根据项目设计的三种RTD可编程通用逻辑门和提出的函数综合方法实现的RTD数字电路及系统具有结构简单、延迟小、功耗低等特点，同时设计方法简单、规范，可以编程实现。本研究项目为设计高性能低功耗RTD数字集成电路与系统提供了可编程电路模块和设计技术。