Принципи та Завдання проектування

ПРИНЦИПИ ТА ЗАВДАННЯ ПРОЕКТУВАННЯ

Проектування технічного об'єкта пов'язане зі створенням, перетвореннями і поданням до прийнятної форми образу цього об'єкта. Образ об'єкта або його складових частин може створюватися в уяві людини в результаті творчого процесу або генеруватися за деякими алгоритмами в процесі взаємодії людини і ПЕОМ. У будь-якому випадку проектування починається за завдання на проектування, яке відображає потреби суспільства в отриманні деякого технічного виробу. Це завдання видається у вигляді тих чи інших документів і є вихідним (первинним) описом об'єкта. Результатом проектування, як правило, служить повний комплект документації, що містить достатні відомості для виготовлення об'єкта в заданих умовах. Ця документація являє собою остаточний опис об'єкта.

Типові проектні процедури

Класифікація типових процедур (задач) проектування. Проектна процедура називається типовою, якщо вона призначена для багаторазового застосування при проектуванні багатьох типів об'єктів. Класифікація типових проектних процедур представлена на рис. 1.1.

Розрізняють проектні процедури аналізу і синтезу. Синтез полягає в створенні опису об'єкта, а аналіз — у визначенні властивостей та дослідженні працездатності об'єкта з його опису, тобто при синтезі створюються, а при аналізі оцінюються проекти об'єктів.

Процедури анализу діляться на процедури одно- та багатоваріантного аналізу.

Рис. 1.1. Класифікація типових проектних процедур

 

При одноваріантному аналізі задані значення внутрішніх і зовнішніх параметрів, потрібно визначити значення вихідних параметрів об'єкта. Корисно використовувати геометричну інтерпретацію цього завдання, пов'язану з поняттям простору внутрішніх параметрів. Це п -мірний простір, в якому для кожного з п внутрішніх параметрів х_і виділена координатна вісь. При одноваріантному аналізі задається також деяка точка в просторі внутрішніх параметрів і потрібно в цій точці визначити значення вихідних параметрів. Подібне завдання зазвичай зводиться до однократного вирішення рівнянь, що складються в математичну модель, це й обумовлює назву цього виду аналізу. Багатоваріантний аналіз полягає в дослідженні властивостей об'єкта в деякій області простору внутрішніх параметрів. Такий аналіз вимагає багаторазового рішення систем рівнянь (багаторазового виконання одноваріантного аналізу).

Процедури синтезу діляться на процедури структурного і параметричного синтезу.

Метою структурного синтезу є визначення структури об'єкта — переліку типів елементів складових об'єкту, і способу зв'язку елементів між собою у складі об'єкта.

Параметричний синтез полягає у визначенні числових значень параметрів елементів при заданих структурі і умовах працездатності на вихідні параметри об'єкта, тобто при параметричному синтезі потрібно знайти точку або область в просторі внутрішніх параметрів, в яких виконуються ті чи інші умови (зазвичай умови працездатності).

Типова послідовність проектних процедур. На рис. 1.2 представлена типова послідовність проектних процедур на одному з етапів нисхідного проектування.

Рис. 1.2. Схема процесу проектування

 

На попередньому етапі вирішувалися задачі k -го ієрархічного рівня, одним з результатів вирішення цих задач при нисхідному проектуванні є формулювання ТЗ на проектування систем (k +1)-го досліджуваного рівня.

Рис.1.2 дозволяє встановити характерну особливість взаємозв'язку проектних процедур аналізу та синтезу. Цей взаємозв'язок має характер вкладеності процедур аналізу в процедуру оптимізації (параметричного синтезу) і процедури оптимізації в процедуру синтезу, що об'єднує синтез структурний і параметричний. Вкладеність означає, по-перше, що аналіз входить як складова частина в оптимізацію, а оптимізація — в синтез, по-друге, що одноразове виконання процедури оптимізації вимагає багаторазового виконання процедури аналізу, а одноразове рішення завдання синтезу - багаторазового рішення задачі оптимізації.

Якщо ввести коефіцієнт f_ij, що дорівнює кількості виконань процедури i, вкладеної в процедуру j, при одноразовому виконанні процедури j, а процедурам синтезу, оптимізації, багатоваріантного і одноваріантного аналізу присвоїти номери відповідно 1, 2, 3, 4, то:

f₄₁ = f₂₁ f₃₂ f₄₃.

Приклад синтезу об'єктів. При синтезі об'єкта проглядається f₂₁ варіантів його структури, кожен варіант структури оптимізується з виконанням f₃₂ кроків оптимізації, а кожен крок оптимізації полягає в оцінці об'єкта, що вимагає f₄₃ варіантів аналізу; нехай f₃₂ = f₄₃ =40. Тоді знадобиться f₄₁ =6,4*10⁴ варіантів аналізу — вирішень рівнянь математичної моделі об'єкта. Подібна задача може виявитися непосильною для сучасних ПЕОМ, якщо порядок системи рівнянь достатньо високий.

Наведений вище приклад свідчить про велику трудомісткість проектування і про необхідність пошуку шляхів скорочення цієї трудомісткості. Розробка способів скорочення витрат обчислювальних ресурсів на виконання проектних процедур — актуальна проблема автоматизованого проектування.

Один із шляхів вирішення цієї проблеми — застосування достатньо точних і складних математичних моделей і алгоритмів аналізу тільки на завершальних ітераціях синтезу.

На рис.1.3 представлена схема маршруту проектування надвеликих інтегральних схем (НВІС). Якщо НВІС призначена для багатьох застосувань, то формулювання ТЗ відноситься до зовнішнього проектування. Якщо НВІС спеціалізована, тобто використовується для побудови конкретної електронної системи, то ТЗ на НВІС виходить в результаті нисхідного проектування цієї системи. На етапі Е1 (рис.1.3) виконуються процедури верхнього ієрархічного рівня функціонального проектування НВІС — процедура синтезу логічної схеми, її аналізу з урахуванням передбачуваних затримок поширення сигналів в елементах. На етапі Е2 виробляється синтез принципових електричних схем фрагментів НВІС, які вважалися на етапі Е1 елементами. Синтез проводиться на основі перегляду декількох варіантів структури та орієнтовної оцінки цих варіантів. Паралельно з виконанням цих етапів виконують етап Е7 — проектування компонентів наноелектронних схем. Тут синтезується фізична і топологічна структура компонентів і вибирається технологія виготовлення НВІС. На етапі ЕЗ вихідними даними є, по-перше, варіанти структури принципових електричних схем, відібрані на етапі Е2, по-друге, характеристики і значення електричних параметрів частини компонентів, отримані на етапі Е7. Інша частина параметрів компонентів варіюється на етапі ЕЗ з метою їх оптимізації. Тут же перевіряється працездатність схем в умовах дії різних дестабілізуючих факторів. Етапи Е4-Е6 відносяться до конструкторського аспекту. На етапі Е4 синтезується топологія наносхеми, тобто конфігурація і взаємне розташування компонентів і пов'язуючих їх електричних з'єднань в напівпровідниковому кристалі. Відомості про раніше спроектовану топологію окремих компонентів надходять від етапу Е7. На етапі Е5 перевіряється відповідність топології вихідній принциповій електричній схемі і дотримання конструкторсько-технологічних проектних норм. На етапі Е6 проектуються фототошаблони, які містять в собі інформацію про топологію і будуть безпосередньо використовуватися в процесі виготовлення НВІС. Так як конструкторські рішення впливають на значення ряду електричних параметрів, то після виконання етапів Е4-Е6 потрібне уточнення результатів логічного та схемотехнічного проектування, тобто ітераційне повернення до етапів Е1 і ЕЗ.

Рис.1.3. Схема маршруту проектування НВІС

 

Режими проектування в САПР. За характером і ступенем участі людини і використанні ПЕОМ при виконанні деякого маршруту розрізняють декілька режимів проектування.

Автоматичний режим має місце при виконанні маршруту проектування за формальними алгоритмами на ПЕОМ без втручання людини в хід рішення.

Ручний (неавтоматизований) режим характеризується виконанням маршруту без допомоги ПЕОМ.

Автоматизоване проектування є частково автоматизованим, якщо частина проектних процедур в маршруті виконується людиною вручну, а частина — з використанням ПЕОМ. Такий режим зазвичай відображає невисоку ступінь автоматизації проектування.

Діалоговий (інтерактивний) режим є більш досконалим режимом, при ньому всі процедури в маршруті виконуються за допомогою ПЕОМ, а участь людини проявляється в оперативній оцінці результатів проектних процедур чи операцій, у виборі продовжень та коригуванні ходу проектування. Якщо ініціатором діалогу є людина, якій надано можливість в будь-який момент перервати автоматичні обчислення на ПЕОМ, то діалог називається активним. Якщо переривання обчислень відбуваються за командами виконуваної на ПЕОМ програми в певні, заздалегідь передбачені моменти, тобто проектувальник не може виступати як ініціатор діалогу, то такий діалог називають пасивним.

 

СТРУКТУРА САПР

 

Система автоматизованого проектування (САПР) визначається як організаційно-технічна система, яка складається з комплексу засобів автоматизації проектування, що взаємодіє з підрозділами проектної організації і виконує автоматизоване проектування.

Комплекс засобів автоматизації проектування. Засоби автоматизації проектування можна згрупувати за видами забезпечення автоматизованого проектування.

Техничне забеспечення САПР представляє собою сукупність взаємопов'язаних і взаємодіючих технічних засобів, призначених для виконання автоматизованого проектування. Технічне забезпечення ділиться на групи засобів програмної обробки даних, підготовки і введення даних, відображення та документування, архіву проектних рішень, передачі даних.

Засоби програмної обробки даних представлені процесорами і запам'ятовуючими пристроями, тобто пристроями ПЕОМ, в яких реалізуються перетворення даних і програмне керування обчисленнями. Засоби підготовки, введення, відображення та документування даних служать для спілкування людини з ПЕОМ. Засоби архіву проектних рішень представлені зовнішніми запам'ятовуючими пристроями; засоби передачі даних використовуються для організації зв'язків між територіально рознесеними ПЕОМ і терміналами.

Математичне забезпечення САПР поєднує в собі математичні моделі об'єктів проектування, методи й алгоритми виконання проектних процедур, які використовуються при автоматизованому проектуванні. Елементи математичного забезпечення в САПР надзвичайно різноманітні. Серед них є інваріантні елементи, що широко застосовуються в різних САПР. До них відносяться принципи побудови функціональних моделей, методи чисельного рішення алгебраїчних і диференціальних рівнянь, постановки екстремальних завдань, пошуку екстремуму. Специфіка предметних областей проявляється насамперед у ММ об'єктів проектування, вона помітна також у способах вирішення задач структурного синтезу. Форми подання математичного забезпечення також досить різноманітні, але його практичне використання відбувається після реалізації в програмному забезпеченні.

Программне забезпечення САПР об'єднує власне програми для систем обробки даних на машинних носіях і програмну документацію, необхідну для експлуатації програми. Програмне забезпечення (ПЗ) ділиться на загальносистемне, базове і прикладне (спеціальне). Загальносистемне ПЗ призначено для організації функціонування технічних засобів, тобто для планування та управління обчислювальним процесом, розподілу наявних ресурсів, і представлено операційними системами ПЕОМ. Загальносистемне ПЗ зазвичай створюється для багатьох програм і специфіку САПР не відображає. Базове і прикладне ПО створюються для потреб САПР. У прикладному ПО реалізується математичне забезпечення для безпосереднього виконання проектних процедур. Прикладне ПО звичайно має форму пакетів прикладних програм (ППП), кожен з яких обслуговує певний етап процесу проектування або групу однотипних завдань усередині різних етапів. У базове ПО входять програми, що забезпечують правильне функціонування прикладних програм. Іноді в базове ПО включають ППП, що поставляються у централізованому порядку разом з апаратурою та призначені для використання в основних маршрутах проектування.

Информаційне забезпечення САПР об'єднує різноманітні дані, необхідні для виконання автоматизованого проектування. Ці дані можуть бути представлені у вигляді тих чи інших документів на різних носіях, які містять відомості довідкового характеру про матеріали, комплектуючі вироби, типові проектні рішення, параметри компонентів, відомості про стан поточних розробок у вигляді проміжних і остаточних проектних рішень, структури і параметри проектованих об'єктів і т. п. Основна складова частина інформаційного забезпечення САПР — банк даних, який представляє собою сукупність засобів для централізованого накопичення і колективного використання даних в САПР. Банк даних (БНД) складається з бази даних та системи управління базою даних.

База даних (БД) — власне дані, що знаходяться в запам'ятовуючих пристроях ПЕОМ і структуровані відповідно до прийнятих в даному БНД правилами. Система управління базами даних (СУБД) — сукупність програмних засобів, що забезпечують функціонування БНД. За допомогою СУБД виробляються запис даних в БНД, їх вибірка за запитами користувачів і прикладних програм, забезпечується захист даних від спотворень і від несанкціонованого доступу і т. п.

Лінгвистичне забезпечення САПР представлено сукупністю мов, застосовуваних для опису процедур автоматизованого проектування та проектних рішень. Основна частина лінгвістичного забезпечення — мови спілкування людини з ПЕОМ.

Методичне забезпечення САПР становлять документи, що характеризують склад, правила відбору та експлуатації засобів автоматизованого проектування. Допускається більш широке тлумачення поняття методичного забезпечення, при якому під методичним забезпеченням мають на увазі сукупність математичного, лінгвістичного забезпечення і названих документів, що реалізують правила використання засобів проектування.

Організаційне забезпечення САПР включає положення, інструкції, накази, штатні розклади, кваліфікаційні вимоги та інші документи, що регламентують організаційну структуру підрозділів проектної організації та взаємодію підрозділів з комплексом засобів автоматизованого проектування.

Взаємопов'язана сукупність програмного, інформаційного та методичного забезпечення, призначена для отримання закінченого проектного рішення або виконання уніфікованих процедур, називається програмно-методичним комплексом (ПМК). Взаємопов'язана сукупність програмно-методичних комплексів певного цільового призначення і засобів технічного забезпечення, на яких ці комплекси реалізовані, називається програмно-технічним комплексом (ПТК).

 

 

Лабораторний практикум

ЛАБОРАТОРНА РАБОТА № 1

Теоретичні відомості

Комп'ютери та електронні пристрої відіграють важливу роль в науковому та технічному процесах. Одним з перспективних напрямків розвитку обчислювальної техніки є технологія КА розміром (50×50) нм, яка на даний момент перебуває на стадії становлення. Наноелектронні пристрої на КА можуть досягнути більшої швидкодії при менших розмірах та меншому енергоспоживанню ніж транзисторна технологія. Базовим елементом пристроїв на КА є нанорозмірна комірка (30×30) нм. Комірка ‑ це група квантових точок які працюють згідно принципу квантового коміркового автомату.

Базова діелектрична комірка КА містить чотири напівпровідникові чи металеві квантові точки (острівці), які геометрично розміщені по куткам квадрату, як показано на рис. 1.1. Комірки використовуються для побудови нанопровідників, логічних елементів, запам’ятовуючих пристроїв, тощо.

"Логічний нуль" "Логічна одиниця"

 

P = -1 P = +1

а) б)

Рис. 1.1. Базова комірка в двох можливих логічних станах

 

Принцип дії КА, заснований на квантовому тунелюванні та кулонівській взаємодії електронів, дозволяє створювати пристрої, які можуть працювати як комутуючі транзистори, але з меншими розмірами та меншою споживаною потужністю. Однорідна архітектура КА може бути сформована за допомогою електронної літографії або травлення.

Кожна комірка може містити два надлишкові електрони, які в змозі тунелювати між квантовими точками. Коли потенціал діелектричних перетинок між точками високий, електрони будуть локалізовані та не зможуть тунелювати, а коли потенціал низький електрони зможуть вільно тунелювати. Кулонівське відштовхування між електронами примусить їх розташуватися на діаметрально протилежних кутках з двома можливими конфігураціями (рис. 1.1). Ці два стабільні стани можуть бути представлені як поляризації комірок P= -1 та P= +1. Рівень поляризації P= -1 відповідає логічному нулю (рис. 1.1, а), а P= +1 відповідає логічній одиниці (рис. 1.1,б). Якщо в масиві КА, отриманому після розміщення декількох комірок в ряд, змінити поляризацію першої комірки в визначений стан, то друга комірка прийме той же стан по принципу найменшої енергії. Далі по принципу доміно всі комірки масиву набудуть цей же рівень поляризації.

Поляризація комірки визначається співвідношеннями:

(1.1)

де і , і – щільності зарядів електронів у діагонально розташованих квантових точках комірки.

Таким чином, бінарна інформація передається без руху зарядів. Тобто нема протікання струму між комірками. Це – основна причина, чому структури КА споживають надмізерну кількість енергії ~10^-22Дж. Для використання КА розмір комірки чи точки не є критичними, але вони повинні захопити єдиний електрон в кожній точці. Інтервал між точками повинен дозволити тунелювання електронів в межах комірки. Однак комірки не повинні бути розділеними. Накладання квантових комірок також можливе. Інтервал між комірками визначається основним рівнянням кулонівської взаємодії:

, (1.2)

де = 1.6*10^-19 Кл – заряд електрона, – відстань між електронами в КА, сила кулонівської взаємодії та – коефіціент пропорційності.

Ефект провідника полягає в тому, щоб бінарна інформація перейшла до наступної комірки. Якщо групувати комірки в вигляді лінійного масиву нанопровідника, то електричний сигнал може бути переданий по ньому (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Ефект нанопровідника на КА

 

На даний момент для моделювання пристроїв на КА використовують САПР QCA Designer. В наносхемах на КА необхідна синхронізація роботи, для чого використовують синхроімпульси (рис. 1.3). Вони не тільки синхронізують потоки інформації, але й забезпечують пристрій енергією для роботи. Комірки не мають інших джерел енергії крім енергії синхроімпульсів. Ці імпульси були запроваджені, щоб управляти потенційними бар'єрами між точками. Коли синхроімпульс має високий рівень, потенціальні бар'єри між точками низькі, і електрони вільно тунелюють між квантовими точками. Коли рівень синхроімпульсу низький, електрони локалізуються в положенні, яке залежить від поляризації сусідніх комірок. Для передавання бінарної інформації схема розділена на чотири зони синхронізації (синхрозони), як показано на рис. 1.3. Кожна синхрозона зміщена по фазі на 90˚ відносно попередньої. Таким чином, комірки фіксують поляризацію послідовно і розповсюджують інформацію в потрібних напрямках.

Рис. 1.3. Синхроімпульси

ЛАБОРАТОРНА РАБОТА № 2

Теоретичні відомості

В цифрових та логічних схемах інвертор виконує логічну операцію заперечення НІ.

В логічних схемах на КА існує багато способів реалізації операції заперечення. По-перше, якщо в масиві нанопровідник змінити орієнтацію комірок на 45˚, стає можливим використання його не тільки для прямої передачі, але й для передачі сигналу із запереченням (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Інвертуючий нанопровідник на КА

 

Вихідний сигнал в такому нанопровідник залежить від позиції комірки, з якої буде зніматися сигнал.

В схемах на КА для одночасної передачі прямого сигналу та сигналу із запереченням зручно використовувати конструкцію, наведену на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Нанопровідник для одночасної передачі прямого сигналу (output 2) та передачі того ж сигналу із запереченням (output 1)

Як видно, вихідний сигнал наносхеми залежить від взаємного розміщення масивів комірок КА. Результати моделювання роботи цієї схеми показані на рис. 2.3.

Вхід

 

Вихід 1

 

Вихід 2

Рис. 2.3. Результати моделювання роботи наносхеми прямої та інверсної передачі бінарної інформації

Якщо потрібний тільки заперечений сигнал, то можна використати інвертор, показаний на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Наноінвертор зміщення

 

Інша наносхема інвертора, який має високий рівень завадостійкості, наведена на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Наносхема інвертора на КА

 

В останньому інверторі сигнал передається на розгалужений масив КА, а вихідна комірка контактує з цим розгалуженим масивом під кутом 45˚. Тому її поляризація протилежна поляризації вхідного сигналу.

ЛАБОРАТОРНА РАБОТА № 3

Теоретичні відомості

 

В основі функціонування логічних наносхем на КА лежить використання мажоритарних елементів, один з варіантів яких зображено на рис. 3.1. Робота мажоритарного елементу заснована на принципі вибору більшості бінарних сигналів з непарної кількості входів. Який сигнал буде подано на більшість входів, такий і отримують на виході. З їх допомогою можна реалізувати логічні функції І та АБО (табл. 3.1). Якщо на один з входів, який зветься програмованим, подати логічний нуль, то можна використати два інші входи для реалізації логічної функції І. Якщо ж подати на програмований вхід логічну одиницю, то отримують елемент АБО. Будь який з входів мажоритарного елементу може бути використаний у якості програмованого.

а) б)

Рис. 3.1. Наносхема елементу мажоритарного вибору (2 з 3) на базі КА (а) та його умовне позначення (б)

 

Таблиця 3.1

Таблиця дійсності мажоритарного елементу

Вхід 1 x1 (програмований)	Вхід2 x2	Вхід3 x3	Вихід f
				Виконує логічну функцію "І"
				Виконує логічну функцію "АБО"

В результаті моделювання отримують часові діаграми всіх вхідних і вихідних сигналів відносно синхроімпульсів. На рис. 3.2 показані результати моделювання мажоритарного елементу (2 з 3).

Вхід 1

(програмований)

 

Вхід 2

 

Вхід 3

 

Вихід

 

 

Синхро-

імпульси

 

Рис. 3.2. Результат моделювання роботи мажоритарного елементу на КА

ЛАБОРАТОРНА РАБОТА № 4

Теоретичні відомості

У комбінаційних пристроях на КА (автомати без пам’яті) вихідні сигнали однозначно обумовлюються тільки діючою в цей час комбінацією вхідних сигналів і не залежать від вхідних сигналів, що діяли раніше.

Мультиплексор керує передачею інформації від декількох вхідних джерел в одну вихідну нанолінію. Двовходовий мультиплексор має два інформаційні входи даних та , один адресний вхід і один прямий вихід (рис.4.1, а). Реалізацію цього мультиплексора виконують на двох мікроелектронних логічних елементах 2І, одному НІ та одному 2АБО (рис 4.1, б). На рис. 4.1, в наведена його еквівалентна схема на трьох наноелектронних мажоритарних елементах (2 з 3) та одному елементі заперечення НІ.

а) б)

в)

Рис. 4.1. Умовне позначення мультиплексора (а), його еквівалентні схеми на базі мікроелектронних логічних елементів (б) та наноелектронних мажоритарних елементів (в)

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5

Теоретичні відомості

 

Для технічної реалізації алгоритму арифметичного додавання на відміну від логічного (операція АБО), використовують спеціалізований елемент, який виконує функцію Виключне АБО (рис. 5.1, а). На рис 5.1, б наведена мікроелектронна еквівалентна схема для виконання функції Виключне АБО чи додавання однорозрядних бінарних кодів та за модулем два:

. (5.1)

а) б)

в)

Рис. 5.1. Умовне позначення елементу Виключне АБО (а), його еквівалентні схеми на базі мікроелектронних логічних елементів (б) та наноелектронних мажоритарних елементів (в)

 

Замінюючи різні за типом мікросхеми на три однакові наноелектронні мажоритарні елементи, створюють схему арифметичного додавання (рис. 5.1, в), що характеризується мажоритарною рівнозначністю:

. (5.2)

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 6

Теоретичні відомості

 

Для побудови напівсуматора (рис. 6.1, а) використовують мікроелектронні схеми Виключне АБО та 2І (рис. 6.1, б). Логічні дії напівсуматора описуються наступними рівняннями:

(6.1)

(6.2)

де С – отримане значення переносу до старшого розряду.

а) б)

в)

Рис. 6.1. Умовне позначення напівсуматора (а), його еквівалентні схеми на базі мікроелектронних логічних елементів (б) та наноелектронних мажоритарних елементів (в)

На рис. 6.1, в побудована еквівалентна схема напівсуматора на 4 мажоритарних елементах та 2 елементах заперечення. Додавання двох кодів та з переносом до старшого розряду описується мажоритарними рівнозначностями:

, (6.3)

. (6.4)

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 7

Теоретичні відомості

 

Однорозрядний суматор (рис.7.1, а) використовується для додавання старших розрядів бінарних слів з урахуванням можливого переносу з молодшого розряду. Технічна реалізація однорозрядного суматора на 3 мажоритарних елементах та 2 елементах заперечення наведена на рис.7.1, б.

а) б)

Рис. 7.1. Умовне позначення суматора (а) та його еквівалентна схема на базі наноелектронних мажоритарних елементів (б)

 

Виконання операції додавання двох доданків і та переносу описуються мажоритарними рівнозначностями:

(7.1)

. (7.2)

де – код переносу з молодшого розряду.

 

Завдання до виконання лабораторної роботи

Розробити проект наносхеми на квантових коміркових автоматах однорозрядного суматора та дослідити її роботу за допомогою САПР QCADesigner.

1. Запустити САПР. Створити наносхему однорозрядного суматора на КА на проектному полі, як показано для прикладу на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Наносхема однорозрядного суматора на КА

 

2. Поділити отриманий масив комірок на зони синхронізації, створити входи для двох доданків і одного переносу з молодшого розряду, програмовані входи та виходи суми і переносу до старшого розраду.

3. Виконати команду головного меню Simulation/Start Simulation і отримати результати моделювання у вигляді осцилограм, зразки яких для прикладу наведені на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Результати моделювання наносхеми однорозрядного суматора на КА

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 8

Теоретичні відомості

 

Дешифратори перетворюють бінарні -розрядний код в -розрядний унітарний код. Для повного дешифратора виконується умова:

, (8.1)

де та ‑ число входів та виходів відповідно.

Алгоритм роботи повного дешифратора з описується системою логічних рівнянь наступного виду:

,

, (8.2)

,

.

Реалізувати чотири рівняння системи (8.2) можна за допомогою чотирьох мажоритарних елементів та двох схем заперечення, як показано на рис. 8.1, б.

а) б)

Рис. 8.1. Умовне позначення (а) та наносхема на мажоритарних елементах (б) повного дешифратора (2х4)

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 9

Теоретичні відомості

 

Цифрові компаратори порівнюють бінарні числа. Кількість входів компаратора залежить від розрядності кодів, що порівнюються. На його виходах зазвичай формуються три сигнали:

, тобто , (9.1)

, тобто , (9.2)

, тобто , (9.3)

де та , ‑ функції рівності та нерівності вхідних кодів , .

Для реалізації цих логічних рівнянь використовують п’ять мажоритарних елементів та дві наносхеми заперечення, як показано на рис. 9.1, б.

а) б)

Рис. 9.1. Умовне позначення цифрового компаратора (а) та наносхема однорозрядного порівняння (б)

 

ЛАБОРАТОРНА РАБОТА № 10

Теоретичні відомості

Код Грея був запропонований для оптимальної побудови та зменшення похибок перетворювачів сигналів «аналог-код». Відмінна особливість цих перетворень полягає в тому, що код Грея створює послідовність бінарних чисел, в якій сусідні кодові комбінації відрізняються значеннями тільки в одному розряді числа.

Для перетворення бінарного позиційного кода у бінарний код Грея необхідно додавати по модулю 2 однойменні та старші сусідні розряди позиційного кода. Система рівнянь четвертого порядку для перетворення кода Грея має вигляд:

(10.1)

На рис. 10.1 наведена еквівалентна схема на трьох логічних елементах Виключне АБО, що відповідає алгоритму перетворень кода Грея (10.1).

Рис. 10.1. Еквівалентна схема чотирьохрозрядного перетворювача кода Грея на базі трьох логічних елементів Виключне АБО

Алгоритми моделювання

 

Існують два основні методи моделювання одноелектронних кіл. Один з них заснований на методі Монте-Карло, а інший — на фундаментальних рівняннях фізики твердого тіла. Метод наближення Монте-Карло починається з розрахунку всіх можливих подій та ймовірностей їх існування, і вибирає одну з можливих подій випадково, відповідно до її ймовірності. Ця операція повторюється багато разів для проведення моделювання переміщень електронів в наносхемі. Події тунелювання розглядаються як незалежні та експоненціально розподілені.

З іншого боку, фундаментальні рівняння описують тунелювання електронів між острівцями і, таким чином, наносхема займає різні стани. Один з них є визначальним. Стан визначається напругою джерел живлення та розподілом зарядів між кулонівськими острівцями. Нехтуючи фоновим зарядом, кожний острівець накопичує певну кількість елементарних зарядів. Однак, у випадку постійних джерел напруги стан обчислюється нескінченною кількістю положеннь. У випадку обчислення фундаментальних рівнянь, розглядають обмежену кількість станів. У результаті вирішення знаходять ймовірність стану.

У метода Монте-Карло існують наступні переваги:

Більш точні імпульсні та динамічні характеристики одноелектронних наносхем тому, що він моделює основу мікроскопічної фізики прямим методом. В реальних одноелектронних колах електрони тунелюють від острівця до острівця так, як це моделюється в методі Монте-Карло. Фундаментальні рівняння використовують наближені величини середніх ймовірностей та коефіцієнтів передачі, які характеризуют