Los autómatas celulares de puntos cuánticos (a veces denominados simplemente autómatas celulares cuánticos , o QCA) son una mejora propuesta en el diseño de computadora convencional ( CMOS ), que se han ideado en analogía con los modelos convencionales de autómatas celulares introducidos por John von Neumann .
Fondo
Cualquier dispositivo diseñado para representar datos y realizar cálculos, independientemente de los principios físicos que explote y los materiales utilizados para construirlo, debe tener dos propiedades fundamentales: la distinción y el cambio de estado condicional , lo último que implica lo primero. Esto significa que dicho dispositivo debe tener barreras que permitan distinguir entre estados, y que debe tener la capacidad de controlar estas barreras para realizar un cambio de estado condicional . Por ejemplo, en un sistema electrónico digital, los transistores desempeñan el papel de tales barreras de energía controlables, lo que hace que sea extremadamente práctico realizar la computación con ellos.
Autómata celular
Un autómata celular (CA) es un sistema dinámico discreto que consta de una cuadrícula uniforme (finita o infinita) de células. Cada celda puede estar en solo uno de un número finito de estados en un tiempo discreto. A medida que avanza el tiempo, el estado de cada celda en la cuadrícula está determinado por una regla de transformación que tiene en cuenta su estado anterior y los estados de las celdas inmediatamente adyacentes (la "vecindad" de la celda). El ejemplo más conocido de autómata celular es el " Juego de la vida " de John Horton Conway , que describió en 1970.
Células de puntos cuánticos
Origen
Los autómatas celulares se implementan comúnmente como programas de software. Sin embargo, en 1993, Lent et al. propuso una implementación física de un autómata utilizando células de puntos cuánticos . El autómata ganó popularidad rápidamente y se fabricó por primera vez en 1997. La Cuaresma combinó la naturaleza discreta de los autómatas celulares y la mecánica cuántica para crear dispositivos a nanoescala capaces de realizar cálculos a velocidades de conmutación muy altas (orden de Terahercios) y consumir cantidades extremadamente pequeñas. cantidades de energía eléctrica.
Celdas modernas
Hoy en día, el diseño de celda QCA de estado sólido estándar considera que la distancia entre los puntos cuánticos es de aproximadamente 20 nm y una distancia entre las celdas de aproximadamente 60 nm. Al igual que cualquier CA, los Autómatas Celulares Quantum (-dot) se basan en reglas simples de interacción entre celdas colocadas en una cuadrícula . Una celda QCA se construye a partir de cuatro puntos cuánticos dispuestos en un patrón cuadrado. Estos puntos cuánticos son lugares que los electrones pueden ocupar al hacer un túnel hacia ellos.
Diseño celular
La figura 2 muestra un diagrama simplificado de una celda de puntos cuánticos. [1] Si la celda está cargada con dos electrones, cada uno libre para hacer un túnel a cualquier lugar de la celda, estos electrones intentarán ocupar el lugar más alejado posible entre sí debido a la repulsión electrostática mutua . Por lo tanto, existen dos estados de celda distinguibles. La Figura 3 muestra los dos posibles estados de energía mínima de una celda de puntos cuánticos. El estado de una celda se denomina polarización , denotado como P. Aunque se elige arbitrariamente, el uso de la polarización de celda P = -1 para representar el "0" lógico y P = +1 para representar el "1" lógico se ha convertido en una práctica estándar.
Alambre QCA
Los arreglos de cuadrícula de las células de puntos cuánticos se comportan de manera que permiten el cálculo. La disposición práctica más simple de las celdas se obtiene colocando celdas de puntos cuánticos en serie , una al lado de la otra. La Figura 4 muestra tal disposición de cuatro celdas de puntos cuánticos. Los cuadros delimitadores en la figura no representan la implementación física, pero se muestran como un medio para identificar celdas individuales.
Si la polarización de cualquiera de las celdas en la disposición mostrada en la figura 4 fuera cambiada (por una "celda impulsora"), el resto de las celdas se sincronizarían inmediatamente con la nueva polarización debido a las interacciones de Coulombic entre ellas. De esta manera, se puede hacer un "cable" de células de puntos cuánticos que transmite el estado de polarización. Las configuraciones de dichos cables pueden formar un conjunto completo de puertas lógicas para el cálculo.
Hay dos tipos de cables posibles en QCA: un cable binario simple como se muestra en la Figura 4 y una cadena inversora, que está constituida por la colocación de celdas QCA invertidas de 45 grados una al lado de la otra.
Puertas lógicas
Puerta de la mayoría
La puerta mayoritaria y la puerta del inversor (NOT) se consideran los dos bloques de construcción más fundamentales de QCA. La Figura 5 muestra una puerta mayoritaria con tres entradas y una salida. En esta estructura, el efecto del campo eléctrico de cada entrada en la salida es idéntico y aditivo, con el resultado de que cualquier estado de entrada ("0 binario" o "1 binario") en la mayoría se convierte en el estado de la celda de salida; por lo tanto, el nombre de la puerta. Por ejemplo, si las entradas A y B existen en un estado de "0 binario" y la entrada C existe en un estado de "1 binario", la salida existirá en un estado de "0 binario" ya que el efecto de campo eléctrico combinado de las entradas A y B juntos es mayor que el de la entrada C sola.
Otras puertas
Otros tipos de puertas, a saber, las puertas Y y las puertas O , se pueden construir utilizando una puerta mayoritaria con polarización fija en una de sus entradas. Una puerta NOT , por otro lado, es fundamentalmente diferente de la puerta mayoritaria, como se muestra en la Figura 6. La clave de este diseño es que la entrada está dividida y ambas entradas resultantes inciden oblicuamente en la salida. En contraste con una ubicación ortogonal, el efecto de campo eléctrico de esta estructura de entrada fuerza una inversión de polarización en la salida.
Transición de estado
Existe una conexión entre las células de puntos cuánticos y los autómatas celulares. Las celdas solo pueden estar en uno de 2 estados y el cambio de estado condicional en una celda lo dicta el estado de sus vecinos adyacentes. Sin embargo, es necesario un método para controlar el flujo de datos para definir la dirección en la que se produce la transición de estado en las células QCA. Los relojes de un sistema QCA tienen dos propósitos: encender el autómata y controlar la dirección del flujo de datos. Los relojes QCA son áreas de material conductor debajo de la red del autómata , modulando las barreras de túnel de electrones en las celdas QCA por encima de ella.
Cuatro etapas
Un reloj QCA induce cuatro etapas en las barreras de túnel de las celdas por encima de él. En la primera etapa, las barreras de los túneles comienzan a levantarse. La segunda etapa se alcanza cuando las barreras de tunelización son lo suficientemente altas como para evitar que los electrones entren en túneles. La tercera etapa ocurre cuando la barrera alta comienza a bajar. Y finalmente, en la cuarta etapa, las barreras de tunelización permiten que los electrones vuelvan a tunelizar libremente. En palabras simples, cuando la señal del reloj es alta, los electrones pueden hacer un túnel. Cuando la señal del reloj es baja, la celda se bloquea .
La Figura 7 muestra una señal de reloj con sus cuatro etapas y los efectos en una celda en cada etapa del reloj. Un diseño típico de QCA requiere cuatro relojes, cada uno de los cuales está desfasado cíclicamente 90 grados con el reloj anterior. Si un cable horizontal consistiera en, digamos, 8 celdas y cada par consecutivo, comenzando desde la izquierda, se conectaran a cada reloj consecutivo, los datos fluirían naturalmente de izquierda a derecha. El primer par de celdas permanecerá bloqueado hasta que el segundo par de celdas se bloquee y así sucesivamente. De esta manera, la dirección del flujo de datos se puede controlar a través de zonas de reloj.
Cruce de cables
El cruce de cables en las celdas QCA se puede realizar utilizando dos orientaciones de puntos cuánticos diferentes (una a 45 grados con respecto a la otra) y permitiendo que un cable compuesto de un tipo pase perpendicularmente "a través" de un cable del otro tipo, como se muestra esquemáticamente en figura 8. Las distancias entre puntos en ambos tipos de células son exactamente las mismas, produciendo las mismas interacciones Coulombic entre los electrones en cada célula. Sin embargo, los cables compuestos por estos dos tipos de células son diferentes: un tipo propaga la polarización sin cambios; el otro invierte la polarización de una celda adyacente a la siguiente. La interacción entre los diferentes tipos de cables en el punto de cruce no produce ningún cambio de polarización neta en ninguno de los cables, lo que permite conservar las señales en ambos cables.
Problemas de fabricación
Aunque esta técnica es bastante simple, representa un enorme problema de fabricación. Un nuevo tipo de patrón de celda potencialmente introduce hasta el doble de la cantidad de costo de fabricación e infraestructura; el número de posibles ubicaciones de puntos cuánticos en una cuadrícula intersticial se duplica y es inevitable un aumento general de la complejidad del diseño geométrico. Otro problema más que presenta esta técnica es que el espacio adicional entre las células de la misma orientación disminuye las barreras de energía entre el estado fundamental de una célula y el primer estado excitado de una célula . Esto degrada el rendimiento del dispositivo en términos de temperatura máxima de funcionamiento, resistencia a la entropía y velocidad de conmutación.
Red de barras transversales
Christopher Graunke , David Wheeler , Douglas Tougaw y Jeffrey D. Will presentaron una técnica diferente de cruce de cables, que hace que la fabricación de dispositivos QCA sea más práctica , en su artículo "Implementación de una red de barras cruzadas utilizando autómatas celulares de puntos cuánticos". . El documento no solo presenta un nuevo método de implementación de cruces de cables, sino que también brinda una nueva perspectiva sobre el reloj QCA.
Su técnica de cruce de cables introduce el concepto de implementar dispositivos QCA capaces de realizar cálculos en función de la sincronización . Esto implica la capacidad de modificar la función del dispositivo a través del sistema de reloj sin realizar ningún cambio físico en el dispositivo. Por lo tanto, el problema de fabricación mencionado anteriormente se aborda completamente mediante: a) el uso de solo un tipo de patrón de puntos cuánticos y, b) la capacidad de hacer un bloque de construcción QCA universal de complejidad adecuada, cuya función está determinada solo por su mecanismo de tiempo (es decir, sus relojes).
Sin embargo, la conmutación cuasi adiabática requiere que las barreras de túnel de una celda se conmuten de forma relativamente lenta en comparación con la velocidad de conmutación intrínseca de un QCA. Esto evita los estados de timbre y metaestables que se observan cuando las celdas se cambian abruptamente. Por lo tanto, la velocidad de conmutación de un QCA está limitada no por el tiempo que tarda una celda en cambiar la polarización, sino por el tiempo de conmutación cuasi adiabático apropiado de los relojes que se utilizan.
Paralelo a serial
Al diseñar un dispositivo capaz de computar, a menudo es necesario convertir líneas de datos paralelas en un flujo de datos en serie . Esta conversión permite reducir diferentes piezas de datos a una serie de valores dependientes del tiempo en un solo cable. La Figura 9 muestra un dispositivo QCA de conversión de paralelo a serie de este tipo. Los números en las áreas sombreadas representan diferentes zonas de reloj en fases consecutivas de 90 grados. Observe cómo todas las entradas están en la misma zona de marcado. Si los datos en paralelo fueran impulsados en las entradas A, B, C y D, y luego no más durante al menos las 15 fases de transmisión en serie restantes , la salida X presentaría los valores de D, C, B y A - en ese orden, en las fases tres, siete, once y quince. Si se añadiera una nueva región de reloj en la salida, se podría sincronizar para enclavar un valor correspondiente a cualquiera de las entradas seleccionando correctamente un período de bloqueo de estado apropiado.
La nueva región de reloj de enclavamiento sería completamente independiente de las otras cuatro zonas de reloj ilustradas en la figura 9. Por ejemplo, si el valor de interés para la nueva región de enclavamiento fuera el valor que D presenta cada 16 fases, el mecanismo de reloj de la La nueva región tendría que configurarse para enclavar un valor en la 4ta fase y cada 16a fase a partir de ese momento, ignorando todas las entradas excepto D.
Líneas seriales adicionales
Agregar una segunda línea serial al dispositivo y agregar otra región de enclavamiento permitiría el enclavamiento de dos valores de entrada en las dos salidas diferentes. Para realizar el cálculo se agrega una puerta que toma como entradas ambas líneas seriales en sus respectivas salidas. La puerta se coloca sobre una nueva región de enclavamiento configurada para procesar datos solo cuando ambas regiones de enclavamiento al final de las líneas seriales contienen los valores de interés en el mismo instante. La figura 10 muestra tal disposición. Si se configura correctamente, las regiones de enclavamiento 5 y 6 mantendrán cada una valores de entrada de interés para la región de enclavamiento 7. En este instante, la región de enclavamiento 7 permitirá que los valores enganchados en las regiones 5 y 6 a través de la puerta Y, por lo tanto, la salida se pueda configurar para ser el resultado Y de dos entradas cualesquiera (es decir, R y Q) simplemente configurando las regiones de enclavamiento 5, 6 y 7.
Esto representa la flexibilidad para implementar 16 funciones, dejando intacto el diseño físico. Las líneas seriales adicionales y las entradas paralelas obviamente aumentarían el número de funciones realizables. Sin embargo, un inconveniente significativo de tales dispositivos es que, a medida que aumenta el número de funciones realizables, se requiere un número creciente de regiones de reloj. Como consecuencia, un dispositivo que explote este método de implementación de funciones puede funcionar significativamente más lento que su contraparte tradicional.
Fabricación
En términos generales, hay cuatro clases diferentes de implementaciones de QCA: isla de metal, semiconductor, molecular y magnético.
Isla de metal
La implementación de la isla de metal fue la primera tecnología de fabricación creada para demostrar el concepto de QCA. Originalmente, no tenía la intención de competir con la tecnología actual en el sentido de velocidad y practicidad, ya que sus propiedades estructurales no son adecuadas para diseños escalables. El método consiste en construir puntos cuánticos utilizando islas de aluminio. Los experimentos anteriores se implementaron con islas de metal de hasta 1 micrómetro de dimensión. Debido a las islas de tamaño relativamente grande, los dispositivos de islas de metal tuvieron que mantenerse a temperaturas extremadamente bajas para que los efectos cuánticos (conmutación de electrones) fueran observables.
Semiconductor
Las implementaciones de QCA de semiconductores (o estado sólido ) podrían potencialmente usarse para implementar dispositivos QCA con los mismos procesos de fabricación de semiconductores altamente avanzados que se usan para implementar dispositivos CMOS. La polarización celular se codifica como posición de carga y las interacciones de puntos cuánticos se basan en el acoplamiento electrostático. Sin embargo, los procesos actuales de semiconductores aún no han llegado a un punto en el que sea posible la producción en masa de dispositivos con características tan pequeñas (≈20 nanómetros). [ cita requerida ] Los métodos litográficos en serie , sin embargo, hacen que la implementación de estado sólido de QCA sea alcanzable, pero no necesariamente práctica. La litografía en serie es lenta, cara e inadecuada para la producción en masa de dispositivos QCA de estado sólido. Hoy en día, la mayoría de los experimentos de creación de prototipos QCA se realizan utilizando esta tecnología de implementación. [ cita requerida ]
Molecular
Un método propuesto, pero aún no implementado, consiste en construir dispositivos QCA a partir de moléculas individuales. [2] Las ventajas esperadas de un método de este tipo incluyen: estructura de celda QCA altamente simétrica, velocidades de conmutación muy altas, densidad de dispositivos extremadamente alta, funcionamiento a temperatura ambiente e incluso la posibilidad de producir dispositivos en masa mediante el autoensamblaje. Una serie de desafíos técnicos, incluida la elección de moléculas, el diseño de mecanismos de interfaz adecuados y la tecnología de sincronización, quedan por resolver antes de que se pueda implementar este método.
Magnético
La QCA magnética, comúnmente conocida como MQCA (o QCA: M), se basa en la interacción entre nanopartículas magnéticas . El vector de magnetización de estas nanopartículas es análogo al vector de polarización en todas las demás implementaciones. En MQCA, el término "cuántico" se refiere a la naturaleza mecánica cuántica de las interacciones de intercambio magnético y no a los efectos de túnel de electrones. Los dispositivos construidos de esta manera podrían funcionar a temperatura ambiente.
Mejora sobre CMOS
La tecnología complementaria de semiconductores de óxido de metal (CMOS) ha sido el estándar de la industria para la implementación de dispositivos integrados a gran escala (VLSI) durante las últimas cuatro décadas, principalmente debido a las consecuencias de la miniaturización de dichos dispositivos (es decir, velocidades de conmutación crecientes, complejidad creciente y el consumo de energía). Quantum Cellular Automata (QCA) es solo una de las muchas tecnologías alternativas propuestas como una solución de reemplazo a los límites fundamentales que la tecnología CMOS impondrá en los próximos años.
Aunque QCA resuelve la mayoría de las limitaciones de la tecnología CMOS, también trae las suyas propias. La investigación sugiere que el tiempo de conmutación intrínseco de una célula QCA es, en el mejor de los casos, del orden de terahercios. Sin embargo, la velocidad real puede ser mucho menor, del orden de megahercios para QCA de estado sólido y gigahercios para QCA molecular, debido al ajuste adecuado de la frecuencia de conmutación del reloj cuasi adiabático.
Referencias
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enlaces externos
- [1] - Página de inicio de QCA en Notre Dame