بررسی و بهبود جمع‌کننده‌های تقریبی در اتوماتای سلولی نقطه کوانتومی (QCA)

نوع: Type: پایان نامه

مقطع: Segment: کارشناسی ارشد

عنوان: Title: بررسی و بهبود جمع‌کننده‌های تقریبی در اتوماتای سلولی نقطه کوانتومی (QCA)

ارائه دهنده: Provider: مصطفی مالمیر - مهندسی کامپیوتر

اساتید راهنما: Supervisors: دکتر حاتم عبدلی

اساتید مشاور: Advisory Professors:

اساتید ممتحن یا داور: Examining professors or referees: دکتر عباس رمضانی ، دکتر شکور وکیلیان

زمان و تاریخ ارائه: Time and date of presentation: ساعت 14 - 1405/7/27

مکان ارائه: Place of presentation: سمینار گروه کامپیوتر

چکیده: Abstract: با نزدیک شدن فناوری CMOS به محدودیتهای فیزیکی در ابعاد نانومتری، باعث جایگزین فناوری های دیگر شد. اتوماتای سلولی نقطه کوانتومی (QCA) به عنوان یکی از گزینه ها، با بهره گیری از برهم کنشهای کولنی به جای جریان الکتریکی امکان پیاده سازی مدارهای دیجیتال با چگالی بالا مصرف توان فوق العاده پایین و سرعت مناسب را فراهم می آورد. از سوی دیگر محاسبات تقریبی با پذیرش خطای محدود در خروجی بستر مناسبی برای بهبود معیارهای سخت افزاری مانند مساحت تأخیر و مصرف انرژی در کاربردهای تحمل‌پذیر نسبت به خطا ایجاد کرده است. کاربردهای تحمل پذیر نسبت به خطا ایجاد کرده است. در این پایان نامه یک معماری جدید برای جمع کننده های تقریبی مبتنی بر QCA ارائه شده است که رویکرد حفظ رقم نقلی (Carry-Preserving) را دنبال می کند. در این طرح تقریب تنها به تولید خروجی جمع (Sum در بیت های کم ارزش (LSB) محدود شده و تولید رقم نقلی (Carry) به طور کامل دقیق نگه داشته می شود. این امر از انتشار خطا به بیتهای با ارزش (MSB) جلوگیری کرده و دقت محاسباتی را در سطح قابل قبولی حفظ می کند. بر این اساس یک سلول تمام جمع کننده تقریبی (AFA) با حداقل سلول طراحی و سپس در ساختار جمع کننده های (RCA) دو بیتی چهار بیتی و هشت بیتی به کار گرفته شده است. برای بخش با ارزش نیز از تمام جمع کننده های دقیق چند لایه و تک لایه استفاده شده تا محاسبات بخش باارزش دقیق باشد. طرح‌های پیشنهادی در دو نوع معماری همسطح (Coplanar) و چندلایه (Multi layer) پیاده سازی شده اند. ارزیابی ها با استفاده از نرم افزارهای QCADesigner و با پارامترهای استاندارد انجام شده است. نتایج حاصل برای جمع کننده ی تقریبی چهار بیتی تک لایه با دو بیت تقریبی طراحی فشرده با ۵۱ سلول QCA مساحت ۰.۰۶ میکرومتر مربع تأخیر ۱.۲۵ سیکل کلاک و هزینه ی مدار ۰.۰۹۳۷۵ است که در مقایسه با بهترین طرح های پیشین بهبود قابل توجهی را نشان می دهد. تحلیل انرژی نیز با نرم افزار -QCADesigner بررسی شد. معیارهای خطا شامل نرخ خطا (Error Rate ، میانگین فاصله ی خطای نرمال شده (NMED) و بیشینه ی خطای مطلق (MED) محاسبه شده است که محدود بودن خطا به بیتهای کم ارزش را نشان می دهد. در ارزیابی کاربرد پردازش تصویر افزایش روشنایی و ترکیب با نسخه ی تاریک در نرم افزار Matlab ، نسبت اوج سیگنال به نویز (PSNR) برای پیکربندی های یک تا چهار بیت تقریبی به ترتیب در محدوده ی ۵۵.۱ تا ۳۳۷ دسی بل به دست آمده که کیفیت مطلوبی را برای کاربردهای مقاوم به خطا دارد. نتایج این پژوهش نشان می دهد که حفظ رقم نقلی در جمع کننده های تقریبی مبتنی بر QCA تعادل مؤثری بین بازدهی سخت افزاری کاهش مساحت تأخیر و انرژی و دقت محاسباتی کنترل خطا در بیت های کم اهمیت برقرار می کند. معماری پیشنهادی با قابلیت تنظیم سطح تقریب بر اساس نیاز کاربرد گزینه ای کارآمد برای طراحی مدارهای نانومتری کم مصرف محسوب می شود.