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基于量子点元胞自动机的低能耗、高速度和高效面积时序电路：T型锁存器和计数器研究 Research Article

Mohammad GHOLAMI1,Zaman AMIRZADEH2

《信息与电子工程前沿（英文）》 2023年第24卷第3期页码 457-469 doi: 10.1631/FITEE.2200361

摘要：量子点元胞自动机（QCA）是一种用于实现纳米数字电路的新型纳米技术。这种纳米技术在速度、面积和功耗方面都优于互补金属氧化物半导体（CMOS）技术，并且可以显著改善各种逻辑电路设计。本文提出一种在QCA技术中实现T型锁存器的新方法，该方法利用了QCA在时序和时钟相位上的固有特征，因此，所提单元结构与现有方法相比占用面积更少，功耗更低。与之前的最佳设计相比，该T型锁存器的占用面积减少6.45%，功耗降低44.49%。此外，本文首次设计了基于复位的T型锁存器和具有置位和复位功能的T型锁存器。基于所提T型锁存器，开发了一种新型3位计数器，与之前的最佳设计相比减少2.14%的单元数。在3位计数器的基础上，设计了4位计数器，与之前的设计相比，减少0.51%的单元数和4.16%的截面积。此外还引入两个选择性计数器，分别从0到5和从2到5进行计数。

关键词：量子点元胞自动机（QCA）；量子点；T型锁存器；T型触发器；计数器；选择性计数器；QCADesigner软件；QCAPro软件

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量子点细胞自动机中四值逻辑门的设计与模拟新概念 Research Articles

Alireza NAVIDI1, Reza SABBAGHI-NADOOSHAN2, Massoud DOUSTI1

《信息与电子工程前沿（英文）》 2021年第22卷第11期页码 1441-1550 doi: 10.1631/FITEE.2000590

摘要：量子点细胞自动机（QCA）等新技术已展现出一些深亚微米标准互补金属氧化物半导体无法提供的显著特性。用QCA进行系统建模和设计多值逻辑门，可使复杂逻辑电路设计更加便捷。本文提出“四值QCA（QQCA）”新概念。该概念已在本团队专为四值QCA模型开发的量子点细胞自动模拟器（QCASim）中设定。设计了基本四值QCA逻辑门，如MIN、MAX和不同类型反相器（SQI，PQI，NQI和IQI），并通过QCASim验证。本文将例示QCASim如何通过其方便的CAD工具集快速而准确地工作。采用所设计的主要门电路设计了一个1×4译码器。基于QQCA设计的电路，取得最小延迟、最小面积和最低复杂度。

关键词：量子点细胞自动机（QCA）；四值逻辑；量子点细胞自动模拟器（QCASim）；四值QCA（QQCA）；四值译码器；四值门

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基于量子点元胞自动机的纳米级加密结构设计 Regular Article

Bikash Debnath, Jadav Chandra Das, Debashis De,dr.debashis.de@gmail.com

《信息与电子工程前沿（英文）》 2019年第20卷第11期页码 1578-1586 doi: 10.1631/FITEE.1800458

摘要：基于密码学的量子点元胞自动机（QCA）是纳米技术领域新范例，在整体性能上优于传统互补金属氧化物半导体（CMOS）技术。为保障纳米通信的数据安全，提出一种基于量子元胞自动机的安全通信系统。利用设计的电路对输入数据加密，通过纳米路由器和数据路径选择器将其传到输出通道，然后将数据解密，恢复其原始形式。实验结果和理论推导证明了电路的准确性。此外，分析了电路功耗和复杂性。

关键词：量子点元胞自动机（QCA）；多数决定门密码学；加密；解密；纳米级路由

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基于量子点元胞自动机的超高效可逆块的纳米设计 Research Article

Seyed Sajad AHMADPOUR1, Nima Jafari NAVIMIPOUR1, Mohammad MOSLEH2, Senay YALCIN3

《信息与电子工程前沿（英文）》 2023年第24卷第3期页码 447-456 doi: 10.1631/FITEE.2200095

摘要：可逆逻辑是相关研究的最新领域之一，在纳米技术、DNA计算、量子计算、容错和低功耗互补金属氧化物半导体（CMOS）等方面都有广泛应用。此外，量子点元胞自动机（QCA）是最先进的方法之一，可以替代传统技术。因此，本文提出一种低功耗、高速度的高效保守门。首先提出一个可逆门ANG (Ahmadpour Navimipour Gate)，然后在QCA技术中实现非抗性ANG和可逆容错ANG两种结构。此外，在不同的能量范围（0.5Ek，1.0Ek和1.5Ek）评估所提ANG门的功耗，并使用QCADesigner 2.0.03和QCAPro软件进行结构模拟和功耗分析。

关键词：纳米技术；可逆逻辑；能量耗散；量子点元胞自动机（QCA）；可逆门；米勒算法

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用于设计量子点元胞自动机算术电路的可扩展 1 位全加器 Research Article

Hamideh KHAJEHNASIR-JAHROMI, Pooya TORKZADEH, Massoud DOUSTI

《信息与电子工程前沿（英文）》 2022年第23卷第8期页码 1264-1276 doi: 10.1631/FITEE.2100287

摘要：量子点元胞自动机（QCA）代表了未来可能替代CMOS的一种合适选择，因为与标准CMOS相比，它消耗的能量微不足道。设计算术电路关键是基于1位全加器的结构。低复杂度的全加器模块有利于开发各种复杂结构。本文介绍了基于单元交互的可扩展1位QCA全加器结构。我们提出的全加器包含QCA设计偏好，例如使用的单元数量少、延迟低和占用面积小。所有设计均使用 QCA Designer-E 2.2版软件进行仿真和验证。该工具可以估计能量消耗以及评估电路的性能。仿真结果表明，所提设计在复杂度、面积、延迟、成本和能量消耗方面都是有效的。

关键词：量子点元胞自动机（QCA）；全加器；行波进位加法器（RCA）；加/减电路；乘数

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用于图像融合基于混合全加器和计数器的高效华莱士树型乘法器 Research Articles

Ayoub SADEGHI, Nabiollah SHIRI, Mahmood RAFIEE, Mahsa TAHGHIGH

《信息与电子工程前沿（英文）》 2022年第23卷第6期页码 950-965 doi: 10.1631/FITEE.2100432

摘要：

提出一种新的基于计数器的华莱士树（CBW）8×8乘法器。乘法器的计数器使用基于传输门技术的新型混合全加器单元。所提全加器、基于传输门的与门和混合半加器生成M:3（4≤M≤7）数字计数器，能够节省至少50%的面积。通过90 nm技术仿真证明所提全加器和数字计数器在不同条件下均优于当前最先进设计。后布局提取证明了实验的准确性。同时提出一种图像融合机制，其中MATLAB和HSPICE之间的直接接口用于在图像处理应用中评估所提CBW乘法器。峰值信噪比和结构相似性指数度量被用作图像质量参数，结果证实所提CBW乘法器可以替代文献中的设计。

关键词：全加器；传输门；计数器；乘法器；三维布局；图像融合

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基于量子元胞自动机的可逆二进制减法器设计 Article

Jadav Chandra DAS, Debashis DE

《信息与电子工程前沿（英文）》 2017年第18卷第9期页码 1416-1429 doi: 10.1631/FITEE.1600999

摘要：在纳米技术领域，量子元胞自动机（quantum dot-cellular automata, QCA）可作为传统互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductorQCA设备密度高，运行速度快，且功耗极低。在QCA中，可逆逻辑有着广泛应用。研究者已开发多个基于QCA的可逆逻辑电路，但基于QCA的可逆二进制减法器研究却不多见。QCA低功耗和高电流密度的特点，使其可用于设计纳米尺度节能逻辑电路。然而，其对大量逻辑门的需求和不利的无用输出，可能限制基于QCA逻辑电路的功能。我们利用QCA设计并实现了一个DG门，实现了DG门的普遍特征。利用该DG门的QCA部分，可以获得新的可逆二进制减法器。相比现有可逆减法器，我们设计的减法器量子成本低，无用输出少。电路设计与模拟基于QCA Designer-2.0.3软件。

关键词：量子元胞自动机（quantum dot-cellular automata QCA）；可逆逻辑；DG门；二进制减法器；量子成本

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基于可观测节点信息的控制器局域网节点可靠性评估 Article

Lei-ming ZHANG, Long-hao TANG, Yong LEI

《信息与电子工程前沿（英文）》 2017年第18卷第5期页码 615-626 doi: 10.1631/FITEE.1601029

摘要：基于控制器局域网的总线技术广泛应用于网络化制造系统。网络作为系统的信息通道，其可靠性对系统的吞吐量、产品质量以及工作人员的安全至关重要。然而，由于节点内部状态的不可访问性，因此使用节点内置的错误计数器值直接评估控制器局域网节点的可靠性是难以进行的。本文提出一种新颖的控制器局域网节点可靠性评估方法，该方法使用节点脱离总线时间作为可靠性测度。基于网络错误日志和错误计数器值可访问的可观测节点信息，该方法可以估计网络中节点的发送错误计数器值。首先，本文基于分段马尔科夫链建立了估计节点发送错误计数器值的模型，该模型考虑了网络中错误分布的稀疏特性。然后，将该更新机制应用到网络中发送错误计数器值不可访问的节点，完成其模型估计值的更新。最后，建立了节点可靠性评估方法以预测节点的脱离总线时间。为表明文中方法的有效性，进行了多组实验。

关键词：控制器局域网；发送错误计数器；发送错误计数器值估计；贝叶斯网络；脱离总线时间

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基于元胞自动机的电阻存储器多比特固定型故障诊断 Research Article

Sutapa SARKAR1, Biplab Kumar SIKDAR2, Mousumi SAHA3

《信息与电子工程前沿（英文）》 2022年第23卷第7期页码 1110-1126 doi: 10.1631/FITEE.2100255

摘要：本文提出一种用于可变电阻式存储器（ReRAM）、基于组的动态固定型故障诊断方案。传统的静态随机存取存储器、动态随机存取存储器、NAND和NOR闪存受可扩展性、功率、封装密度等限制。可变电阻式存储器这类下一代存储器被认为具有多种优势，如高封装密度、非易失性、可扩展性和低功耗，但单元可靠性一直是个问题。不可靠的内存操作是由于大量使用写入或内存密集型工作负载而导致的永久性固定型故障。因此，本文提出一种基于元胞自动机（CA）的动态消除固定型故障设计，以解决不可靠的电池功能和不稳定的电池寿命问题。引入可扩展的块级故障诊断和恢复方案，以确保在出现多比特固定型故障情形下仍可读取数据。所提方案基于Wolfram零边界和周期性边界CA理论。引入多种特殊类别CA——单长循环单吸引子元胞自动机（SACA）、单长循环双吸引子元胞自动机（TACA）和单长循环多吸引子元胞自动机（MACA）——以实现完全容错。目标微架构单元设计具有最佳空间开销。

关键词：电阻存储器；电池可靠性；块级故障诊断；单长循环单吸引子元胞自动机；单长循环双吸引子元胞自动机；单长循环多吸引子元胞自动机

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氧化锆量子点用于非易失性电阻式随机存取存储器 Regular Papers

Xiang-lei HE, Rui-jie TANG, Feng YANG, Mayameen S. KADHIM, Jie-xin WANG, Yuan PU, Dan WANG

《信息与电子工程前沿（英文）》 2019年第20卷第12期页码 1698-1705 doi: 10.1631/FITEE.1900363

摘要：提出一种利用氧化锆量子点作为有源层的非易失性电阻式随机存取器。通过旋涂法制备Ag(上)/ZrO2(有源层)/Ti(下)典型的三明治结构存储器件。实验结果表明，ZrO2有源层紧密堆积，且由于ZrO2量子点分布均匀，ZrO2有源层粗糙度较低（Ra=4.49 nm）。

关键词：氧化锆量子点；电阻开关；存储器件；旋涂法

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计算系统多级抗衰技术研究

游静,徐建,李千目,刘凤玉

《中国工程科学》 2007年第9卷第2期页码 36-37

摘要：

为了对抗软件老化，提出一种细粒度的、事前的、主动的多级软件抗衰技术。通过分析系统资源的占用和损耗情况，判定系统性能的衰退规律，并据此制定了基于时间的多级软件抗衰策略和基于检测的多级软件抗衰策略，采用有限状态自动机对两种策略进行形式化描述，最后通过Web服务案例说明策略的制定过程实验表明，较之单一系统级软件抗衰，多级抗衰策略可以进一步缩短MTTR，提供更高的系统可用性，同时将抗衰成本降到更低。

关键词：软件抗衰软件老化系统可靠性系统可用性自动机

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二维可控细胞自动机伪随机序列发生方法研究

朱保平,马骞,刘凤玉

《中国工程科学》 2007年第9卷第6期页码 43-47

摘要：

提出了一种新的细胞自动机———二维可控细胞自动机。根据二维可控细胞自动机的性质，提出了一种具有梯型结构的二维可控细胞自动机的伪随机序列发生方法。计算机模拟表明，具有梯型结构的二维可控细胞自动机伪随机序列发生器实现简单，产生的序列具有速度高、统计特性好等优点。新的细胞自动机在对称密码学中有广泛地应用。

关键词：细胞自动机伪随机序列发生器可控密码学

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采用内嵌时钟控制技术的低功耗双边沿隐形脉冲触发器 Article

Liang GENG,Ji-zhong SHEN,Cong-yuan XU

《信息与电子工程前沿（英文）》 2016年第17卷第9期页码 962-972 doi: 10.1631/FITEE.1500293

摘要：概要：本文提出了一种新颖的采用内嵌时钟控制技术的双边沿隐形脉冲触发器（dual-edge implicit pulse-triggered flip-flop with an embedded clock-gating该技术在输入信号不变时关闭反相器链，抑制延迟的时钟信号和锁存器中的冗余跳变，从而降低触发器的功耗。基于SMIC 65 nm工艺的后端仿真结果显示，与相关文献中的同类脉冲型触发器相比，在输入信号开关转换率为10%时，本文提出的DIFF-CGS减少了41.39%–56.21%的功耗。此外，在隐形脉冲发生模块和静态锁存器中节点的全摆幅跳变特性提高了电路的鲁棒性。

关键词：低功耗；触发器；隐性；时钟控制技术；双边沿

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基于元胞自动机的多自主体人员行为模型及其在性能化设计中的应用

方伟峰,杨立中,黄锐

《中国工程科学》 2003年第5卷第3期页码 67-71

摘要：元胞自动机模型在交通流研究中的应用已经开展多年并取得了很多有用的成果，但涉及人的行为特征的研究往往十分复杂，在这方面利用自主体来研究具有较大的优势。给出的模型结合了这两方面各自的优势，是在元胞自动机交通流、行人流基本框架上建立起的多自主体人员行为模型，它对评估建筑物的设计方案具有很好的参考作用。

关键词：元胞自动机模型多自主体人员行为性能化设计

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有限域上Galois型非线性移位寄存器的能观性 Research Article

高哲1,冯俊娥1,于永渊1,崔彦君2

《信息与电子工程前沿（英文）》 2022年第23卷第10期页码 1533-1545 doi: 10.1631/FITEE.2200228

摘要：

能观性可以确保任何两个不同初始状态都可以由它们的输出序列唯一确定，因此流密码必须避免不可观的非线性反馈移位寄存器，以防止等效密钥的出现。本文讨论了有限域上Galois型非线性反馈移位寄存器的能观性。通过半张量积，Galois型非线性反馈移位寄存器可被视为逻辑网络。本文介绍了状态转移矩阵的向量形式，据此提出一个充分必要条件以及判定一般Galois型非线性反馈移位寄存器能观性的算法。此外，本文定义了一个新的能观性矩阵，通过该矩阵可推导出计算复杂度较低的矩阵方法。此外，研究两种特殊类型的Galois型非线性反馈移位寄存器的能观性：全长Galois型非线性反馈移位寄存器和非奇异Galois型非线性反馈移位寄存器。提出两种方法确定这两种特殊类型的非线性反馈移位寄存器的能观性，并提供一些数值示例支持这些结果。