基于RTD的通用邏輯單元設(shè)計(jì)及其應(yīng)用.pdf

1、自從上世紀(jì)60年代以來(lái)，集成電路(IC)產(chǎn)業(yè)一直按照摩爾定律所預(yù)計(jì)的方式高速發(fā)展著，現(xiàn)在已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中重要的組成部分。然而，隨著工藝尺寸的不斷縮小，集成度越來(lái)越高，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝正面臨著諸多物理瓶頸，如熱耗散問(wèn)題、短溝道效應(yīng)和量子力學(xué)效應(yīng)等。同時(shí)，納米電子器件，包括單晶體管、共振隧穿二極管(RTD)等，將會(huì)成為后CMOS時(shí)期集成電路的重要技術(shù)之一。
　　 共振隧穿二極管是利用共振隧穿效應(yīng)制造的高速二端器件

2、，也是目前唯一能夠使用常規(guī)IC技術(shù)設(shè)計(jì)和制造的納米電子器件。它具有工作頻率高、速度快、電路功耗低、負(fù)內(nèi)阻和自鎖等特性，廣泛應(yīng)用于高速低功耗電路設(shè)計(jì)中。同時(shí)，通用邏輯單元作為一種可編程邏輯電路，具有實(shí)現(xiàn)功能豐富、設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)，是構(gòu)成大規(guī)模集成電路的單元模塊。RTD器件因?yàn)槠涮匦?，非常適合于設(shè)計(jì)通用邏輯單元。因此，提出有效的RTD通用邏輯單元電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法成為共振隧穿二極管研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容之一。
　　 在本文中，首先將譜技術(shù)

3、應(yīng)用到RTD電路設(shè)計(jì)中，用以區(qū)分閾值函數(shù)和非閾值函數(shù)。根據(jù)譜系數(shù)在閾值函數(shù)中的分布情況，結(jié)合單雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯電路(MOBILE)，設(shè)計(jì)了三變量特征閾值邏輯門和通用閾值邏輯門電路。特征閾值邏輯門具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸入權(quán)值統(tǒng)一，輸入端數(shù)目較少等特點(diǎn)。而通用閾值邏輯門增加了單個(gè)門電路的邏輯功能，通過(guò)輸入的不同連接方法，三變量通用閾值邏輯門可以實(shí)現(xiàn)任意三變量閾值邏輯函數(shù)。在通用閾值邏輯門的基礎(chǔ)上，提出了三變量邏輯函數(shù)分解算法。通過(guò)此算法可以將三

4、變量函數(shù)變換為多個(gè)閾值函數(shù)之或的形式，并用提出的三變量通用閾值邏輯門實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)綜合方法比較，通過(guò)新綜合算法得到的電路網(wǎng)絡(luò)深度更小，使用的門電路數(shù)目更少。對(duì)于多變量邏輯函數(shù)，可以采用現(xiàn)有工具將其變換為三變量邏輯函數(shù)表達(dá)式，然后采用本文設(shè)計(jì)的算法實(shí)現(xiàn)。模擬結(jié)果表明設(shè)計(jì)的三變量通用閾值邏輯門電路具有正確的邏輯功能。
　　 本文分析了RTD器件在可編程邏輯電路設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)，并提出了基于RTD的可編程邏輯門電路。此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)電路

5、功能豐富，且具有負(fù)權(quán)值輸入和可變閾值。同時(shí)，設(shè)計(jì)了基于可編程RTD邏輯門的三層電路網(wǎng)絡(luò)，及相應(yīng)實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)的綜合算法。通過(guò)此網(wǎng)絡(luò)和算法可以使用可編程RTD邏輯門實(shí)現(xiàn)任意n變量邏輯函數(shù)，且設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)便，得到的電路具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、固定的電路級(jí)數(shù)和較少的元器件數(shù)目等特點(diǎn)。HSPICE模擬表明設(shè)計(jì)的RTD可編程邏輯門電路具有正確的邏輯功能。
　　 全加器作為數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的重要計(jì)算單元之一，其性能影響著系統(tǒng)的整體性能。同時(shí)，全加器也是一

6、種通用邏輯單元，使用多個(gè)全加器電路可以實(shí)現(xiàn)任意邏輯函數(shù)。本文分析了一位全加器的函數(shù)表達(dá)式，提出了基于RTD器件的三模塊全加器結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了多個(gè)模塊電路。通過(guò)對(duì)于各個(gè)模塊電路的不同組合，提出了4種全新的RTD一位全加器電路。同時(shí)基于新的RTD全加器電路設(shè)計(jì)了多位行波進(jìn)位加法器。HSPICE仿真結(jié)果顯示與已有電路比較，新設(shè)計(jì)的兩款RTD全加器FA GG和FA GM具有較低的平均功率，特別是FA GG在一位RTD全加器比較中降低了15.7％-

7、36.2％的功率；而在多位行波加法器比較中，F(xiàn)A GG構(gòu)成的8位加法器的功率降低了5.5.％-13.1％。
　　 將RTD應(yīng)用于多值邏輯電路設(shè)計(jì)中，能夠有效地改善二值電路目前遇到的諸如元件數(shù)目過(guò)多、連線多等問(wèn)題。本文詳細(xì)分析了多值邏輯RTD電路設(shè)計(jì)中的基本結(jié)構(gòu)--多值單穩(wěn)態(tài)-多穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換邏輯電路(MMLE)。根據(jù)MMLE不同的初始配置，首次提出了三種運(yùn)算及相關(guān)性質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，提出了三值RTD電路通用結(jié)構(gòu)和三值邏輯電路設(shè)計(jì)方法。通