Automated Programming of Micro- and Single Electron Nanosystems

Abstract

У статті досліджено особливості автоматизованого проектування мікро- та одноелектронних наносистем, орієнтованих на реалізацію програмованих логічних функцій. У цій роботі під структурним програмуванням розуміється не розробка алгоритмів обробки багатоаргументних функцій шляхом зміни робочих програм, відтворених мікроконтролером, а технологічні зміни конфігурацій і налаштувань великих мікро- і наносистем таким чином, щоб реалізовувати функції на логіко-структурному рівні. Головна перевага схемного програмування перед спеціалізованим – менша вартість, що важливо при дрібносерійному виробництві. Застосування мультиплексорів у мікро- та наносхемах дозволяє реалізувати різноманітні булеві та мажоритарні функції, необхідні для побудови логічних елементів. Запропоновані методи забезпечують можливість ефективного конфігурування логічних схем, у тому числі багатофункціональних блоків для реалізації складних логічних операцій. У роботі наведено результати впровадження новітніх технологій автоматизованого програмування одноелектронних наносхем з квантовими комірковими автоматами. За допомогою сучасної системи автоматизованого проектування (комп’ютерного проектування) QCA Designe синтезовано мажоритарні та булеві функції на основі наномультиплексорів. Моделювання часових діаграм в умовах кріогенних температур підтвердило втрату їх працездатності в космічних умовах. Отримані в статті результати комп’ютерного проектування нанопристроїв підтвердили їх переваги перед мікроелектронними аналогами щодо мінімального енергоспоживання та більшої швидкодії. Представлені результати та їх аналіз вказують на можливості подальшого вдосконалення технологій проектування мікро- та одноелектроніки.

The article examines the features of the automated design of micro- and single electron nanosystems focused on the implementation of programmable logic functions. In this work, structured programming does not mean the development of algorithms for processing multi-argument functions by changing working programs, as reproduced by a microcontroller, but rather technological changes in configurations and settings of large micro- and nanosystems in such a way as to implement functions at the logical-structural level. The main advantage of circuit programming over specialized ones is lower cost, which is important in small-scale production. The use of multiplexers in micro- and nanocircuits makes it possible to implement a variety of Boolean and majority functions necessary for the construction of logic elements. The proposed methods provide the ability to effectively configure logic circuits, including multi-functional blocks for implementing complex logic operations. The paper presents the results of the implementation of the latest technologies for automated programming of single-electron nanocircuits with quantum cellular automata. Using a modern automated design system (computer-aided design) QCA Designe, majority and Boolean functions based on nanomultiplexers were synthesized. Simulation of timing diagrams under cryogenic temperatures confirmed the loss of their operability in space conditions. The results of computer design of single electron nanodevices obtained in the article confirmed their advantages over microelectronic analogues in terms of minimal energy consumption and higher speed. The presented results and their analysis indicate opportunities for further improvement of micro- and nanoelectronics design technologies.