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Type: Dissertação de Mestrado
Title: Robustness analysis and enhancement strategies for quantum-dot cellular automata structures
Authors: Dayane Alfenas Reis
First Advisor: Frank Sill Torres
First Referee: Omar Paranaiba Vilela Neto
Second Referee: José Augusto Miranda Nacif
Abstract: A nanotecnologia QCA (Quantum-dot Cellular Automata) tem sido apontada como possível sucessora para o CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). A transmissão e o processamento de informação em circuitos QCA ocorrem sem o fluxo de elétrons, resultando em um baixo consumo de energia. Além disso, altas frequências de relógio são esperadas para os circuitos QCA futuros, além de uma menor área em relação ao seus análogos em CMOS. Não obstante as várias vantagens em comparação ao CMOS, a nanotecnologia QCA precisa superar vários desafios, a maioria deles relacionados à fabricação e à robustez. Por isso, a criação de estruturas QCA robustas e metodologias para análise de erros para QCA são passos obrigatórios para sua consolidação. Este trabalho introduz um Simulador de Defeitos para QCA que emprega uma nova metodologia para análise de erros em estruturas. Tais erros podem ser causados por defeitos nas células ou desvios de fase inesperados nos sinais de relógio. O simulador oferece uma medida quantitativa do nível de robustez de uma estrutura, denominada taxa de simulações sem erro. Além disso, ele produz um mapa de calor através do qual épossível identificar os pontos de polarização mais fracos de uma estrutura sob determinadas circunstâncias de teste. Depois da identificação dos pontos fracos das estruturas por meio dos mapas de calor, mudanças estruturais estratégicas são realizadas a fim de criar estruturas modificadas de robustez aumentada. Então, o desempenho dessas estruturas modificadas é comparado ao desempenho das estruturas regulares através de uma nova rodada de simulações. Testesrealizados demonstraram a robustez superior dos componentes fundamentais modificados, na presença de defeitos de classes combinadas. Além disso, um leve aumento da robustez foi observado quando esses componentes foram usados para substituir componentes regulares dentro de circuitos e sistemas QCA mais complexos.Em relação aos sinais de relógio QCA submetidos a desvios de fase, a estratégia de relógio assíncrono é proposta como alternativa ao tradicional esquema de relógio síncrono para diminuir a ocorrência de erros. O Simulador de Defeitos QCA foi usado para gerar desviosaleatórios, possibilitando a comparação entre os esquemas de clock síncrono e assíncrono. Os resultados para os testes realizados com os componentes fundamentais mostraram um aumento na taxa de simulações sem erro para desvios na faixa de 0 a /4 radianos.
Abstract: QCA (Quantum-dot Cellular Automata) has been pointed out as a candidate for CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) succession. The transmission and processing of information in QCA circuits occurs without flow of electrons, resulting in tremendouslylow power consumption. Furthermore, the design of QCA circuits generally requires less area than its CMOS counterpart and high clock frequencies are supposed to be achieved. Despite its many advantages in comparison to CMOS, QCA has to overcome several challenges, most of them related to its physical implementation and robustness. Thus, thecreation of robust QCA structures as well as methodologies for error analysis for QCA are mandatory steps to the consolidation of this emerging nanotechnology. This work introduces a QCA Defects Simulator that employs a novel methodology for errors analysis in QCA structures. Such errors may occur at output signals due to eitherstructural defects into the cells or unexpected shifts in the clock signals. The tool provides a quantitative measure of the robustness level of the structure, named error-free simulations rate. Moreover, it produces a heat map by which it is possible to identify the weakest polarization points when the structure is submitted to structural defects testing undercertain classes of defects. After the weak polarization points in structures are identified by means of the heat maps, they undergo an addition of cells and strategical structural changes in order to create modified robustness enhanced structures. Then, the performance of the modified structures are compared to their regular counterparts. Results of the tests performed demonstrated the superior robustness of the modified fundamental components under combined classes of defects. Moreover, a slightly robustness enhancement was achieved when the modifiedfundamental components were used to replace their regular counterparts within more complex QCA circuits and systems. Regarding to the robustness enhancement of phase-shifted QCA clock signals, an asynchronous clock strategy is proposed as an alternative to the traditional synchronous clock. The clock shifts testing at QCA Defects simulator was used to generate random shifts in the clock signals, allowing the comparison of the error-free rates for both synchronous andasynchronous clock signals strategies. The results for tests performed with fundamental components showed an increasing in the error-free simulations rate for shifts within the range of 0 to /4 radians.
Subject: Confiabilidade (Engenharia)
Análise de erros (Matemática)
Engenharia elétrica
Automato celular
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-AAJENS
Issue Date: 25-Feb-2016
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