• 대한전자공학회논문지SD
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• 제43권4호
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• pp.56-65
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• 2006

Quantum-dot Cellular Automata (QCA)는 분자 혹은 원자 수준의 작은 크기의 소자이며 극도로 낮은 소모 전력 특성을 가지기 때문에 디지털 논리 구현에 있어 차세대 기술로 많은 주목을 받고 있다. 현재까지 다양한 QCA 설계가 발표되었지만 대부분 시뮬레이션에 의해 동작하지 않음이 확인되었으며 설계를 위한 일반적인 규범이나 지침도 제시되지 알았다. 동작하는 기본적인 구조를 간단히 확장하는 경우에도 시뮬레이션이 실패하였으며 대규모 회로 설계에는 엄청난 시간 소요가 예상되었다. 본 논문에서는 게이트 입력 경로의 불균형 및 배선구조의 숨은 잡음 경로등 기본적인 QCA 구조에서 나타난 치명적인 취약성에 대해 설명하고 이를 해결하기 위한 강건한 QCA 설계를 위해 규범 및 지침을 제시한다. 또한, 이 강건 설계 기법에 따라 설계되고 시뮬레이션에 의해 그 동작이 검증된 고속 가산기를 제시한다.

• 예술인문사회 융합 멀티미디어 논문지
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• 제7권3호
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• pp.291-300
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• 2017

양자점 셀룰라 오토마타(QCA: quantum-dot cellular automata)는 셀룰라 오토마타와 유사하게 고안된 컴퓨팅 모델이며, 빠른 연산속도와 적은 전력손실로 차세대의 각광받는 기술도 떠오르고 있다. QCA는 최근 실험 결과와 함께 다양한 연구가 진행되고 있으며 나노 단위 소재로서 디바이스 밀도 및 상호 연결 문제를 해결할 수 있는 트랜지스터의 패러다임 중 하나이다. XOR(exclusive or) 게이트는 논리의 둘 중 하나가 참일 때 결과가 참이 되도록 작동하는 게이트이다. 제안하는 XOR 게이트는 5개의 층으로 구성되어 있다. 첫 번째 층은 OR 게이트, 세 번째 층과 다섯 번째 층은 AND 게이트로 구성되어 있고 중간에 두 번째 층과 네 번째 층은 통로로 구성하여 설계한다. 반가산기는 XOR 게이트와 AND 게이트로 이루어져 있다. 제안한 반가산기는 제안하는 XOR 게이트에서 셀 두 개를 추가하여 설계한다. 제안한 반가산기는 기존의 반가산기에 비해 보다 적은 수의 셀, 전체 면적, 그리고 클럭으로 구성한다.

• 예술인문사회 융합 멀티미디어 논문지
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• 제7권2호
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• pp.227-236
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• 2017

양자점 셀룰라 오토마타(QCA: quantum-dot cellular automata)는 나노 규모의 크기와 낮은 전력 소비로 각광받고 있으며, CMOS 기술 규모의 한계를 극복할 수 있는 대체 기술로 떠오르고 있다. 다양한 QCA 회로들이 연구되고 있고, 그 중 카운터와 상태 제어에 필요한 래치는 순차 회로의 구성 요소로서 제안되어 왔다. 래치는 이전 상태를 유지하기 위한 피드백 구조의 형태를 가지고 있으며, 이를 QCA 상에서 구현하기 위해 4 클럭을 소모하는 사각형 형태의 루프 구조를 사용한다. 기존의 QCA 상에서 제안된 래치는 동일 평면상에서 제안되었으며, 피드백 구조를 구현하기 위해 많은 셀과 클럭이 소모되었다. 본 논문에서는 이러한 단점을 개선하기 위해서 다층 구조를 이용한 새로운 형태의 SR 래치와 D 래치를 제안한다. 제안한 3차원 루프 구조는 다층 구조 기반의 설계이며 총 3개의 층으로 구성한다. 각 층의 배선은 다른 층과 영향을 받지 않도록 인접한 배선 간 2 클럭 차이를 주어 설계한다. 설계된 래치 구조는 시뮬레이션을 수행하고 기존의 래치와 비교 및 분석한다.

• 문화기술의 융합
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• 제6권2호
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• pp.515-520
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• 2020

디지털 회로설계 기술에서 사용되는 CMOS는 양자 터널링 현상 등으로 인해 집적도의 한계에 다다르고 있다. 이를 대체할 수 있는 양자점 셀룰러 오토마타(QCA : Quantum-dot Cellular Automata)는 적은 전력 소모와 빠른 스위칭 속도 등으로 많은 장점이 있음으로 CMOS의 많은 디지털 회로들이 QCA 기반으로 제안되었다. 그중에서도 멀티플렉서는 D-플립플롭, 레지스터 등 다양한 회로에 쓰이는 기본 회로로써 많은 연구가 되고 있다. 하지만 기존의 멀티플렉서는 공간 효율성이 좋지 않다는 단점이 있다. 따라서, 본 논문에서는 셀 간 상호작용을 이용하여 새로운 다층구조 멀티플렉서를 제안하고, 이를 이용하여 D-래치를 제안한다. 본 논문에서 제안하는 멀티플렉서와 D-래치는 면적, 셀 개수, 지연시간이 개선되었으며, 이를 이용하여 큰 회로를 설계할 시 연결성과 확장성이 우수하다. 제안된 모든 구조는 QCADesigner를 이용해 시뮬레이션하여 동작을 검증한다.

• 예술인문사회 융합 멀티미디어 논문지
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• 제7권3호
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• pp.301-310
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• 2017

양자점 셀룰라 오토마타(QCA: quantum-dot cellular automata)는 나노 크기의 셀을 이용하여 다양한 연산을 수행하며, 매우 빠른 연산속도와 적은 전력손실로 차세대 기술로 떠오르고 있다. 본 논문에서는 QCA 상에서 새로운 유니버셜 게이트(universal gate)를 제안한다. 또한, 유니버셜 게이트를 이용하여 시공간 효율성 측면에서 우수한 XOR 게이트를 제안한다. 유니버셜 게이트는 자기 자신으로 모든 기본 논리 게이트를 만들어 낼 수 있는 게이트이다. 한편, 제안된 유니버셜 게이트는 기본 셀과 회전된 셀을 활용하여 설계한다. 제안된 유니버셜 게이트의 회전된 셀은 3-입력 다수결게이트 구조의 중앙부에 위치한다. 3-입력 다수결 게이트를 이용하여 XOR 게이트를 설계할 때는 5개 이상의 3-입력 다수결 게이트가 사용되지만, 본 논문에서는 3개의 유니버셜 게이트를 사용하여 XOR 게이트를 제안한다. 제안하는 XOR 게이트는 기존의 XOR 게이트보다 사용된 게이트 수가 줄었으며 설계 면적이나 소요 클럭면에서 우수함을 확인할 수 있다.

• 문화기술의 융합
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• 제7권1호
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• pp.558-563
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• 2021

양자점 셀룰라 오토마타(Quantum-Dot Cellular Automata)는 기존의 CMOS 회로의 물리적 크기 한계를 극복하여 효율적인 회로 설계가 가능할 뿐만 아니라 에너지 효율이 우수한 특징 때문에 많은 연구 단체에서 주목받고 있는 차세대 나노 회로 설계기술이다. 본 논문에서는 QCA를 이용하여 기존 디지털 회로 중 하나인 T 플립플롭 회로를 제안한다. 기존에 제안되었던 T 플립플롭들은 다수결게이트를 기반으로 설계되었기 때문에 회로가 복잡하며 지연시간이 길다. 따라서 다수결게이트를 최소화시키며, 셀 간 상호작용을 이용한 XOR 게이트 기반의 T 플립플롭을 설계함으로써 회로의 복잡도를 줄이고, 지연시간을 최소화한다. 제안하는 회로는 QCADesigner를 사용하여 시뮬레이션을 진행하며, 기존에 제안된 회로들과 성능을 비교 및 분석한다.

• Advances in nano research
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• 제15권6호
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• pp.521-531
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• 2023

Quantum-dot cellular automata (QCA) has shown great potential in the nanoscale regime as a replacement for CMOS technology. This work presents a specific approach to static random-access memory (SRAM) cell based on 2:1 multiplexer, 4-bit SRAM array, and 32-bit SRAM array in QCA. By utilizing the proposed SRAM array, a single-layer 16×32-bit SRAM with the read/write capability is presented using an optimized signal distribution network (SDN) crossover technique. In the present study, an extremely-optimized 2:1 multiplexer is proposed, which is used to implement an extremely-optimized SRAM cell. The results of simulation show the superiority of the proposed 2:1 multiplexer and SRAM cell. This study also provides a more efficient and accurate method for calculating QCA costs. The proposed extremely-optimized SRAM cell and SRAM arrays are advantageous in terms of complexity, delay, area, and QCA cost parameters in comparison with previous designs in QCA, CMOS, and FinFET technologies. Moreover, compared to previous designs in QCA and FinFET technologies, the proposed structure saves total energy consisting of overall energy consumption, switching energy dissipation, and leakage energy dissipation. The energy and structural analyses of the proposed scheme are performed in QCAPro and QCADesigner 2.0.3 tools. According to the simulation results and comparison with previous high-quality studies based on QCA and FinFET design approaches, the proposed SRAM reduces the overall energy consumption by 25%, occupies 33% smaller area, and requires 15% fewer cells. Moreover, the QCA cost is reduced by 35% compared to outstanding designs in the literature.

• 문화기술의 융합
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• 제6권4호
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• pp.819-824
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• 2020

본 논문에서는 차세대 디지털 회로 설계기술인 양자점 셀룰러 오토마타(QCA)를 이용하여 새로운 멀티플렉서를 제안한다. 디지털 회로 중 멀티플렉서는 입력 신호 중 하나를 선택하여 하나의 라인에 전달하는 회로이다. 이는 D-플립플롭, 레지스터, 그리고 RAM 셀 등 많은 회로에 쓰이므로 현재까지도 다양한 연구가 이루어지고 있다. 하지만 기존에 제안된 평면구조 멀티플렉서는 연결성을 고려하지 않아 큰 회로를 설계할 경우 비효율적으로 면적을 사용하게 된다. 기존에 다층구조로 제안된 멀티플렉서도 있으나 셀 간 상호작용을 고려하지 않아 필요면적이 여전히 높다. 이에 본 논문에서는 셀 간 상호작용을 이용하고, 다층구조를 이용하여 38% 면적축소, 17% 비용감소 그리고 연결성을 개선한 새로운 멀티플렉서를 제안한다.

• 예술인문사회 융합 멀티미디어 논문지
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• 제7권10호
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• pp.895-903
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• 2017

양자점 셀룰라 오토마타(QCA)는 CMOS의 근본적인 한계에 대한 대체 해결책으로 제안된 기술 중 하나이다. QCA는 최근 실험 결과와 함께 다양한 연구가 진행해오고 있으며 나노 규모의 크기와 낮은 전력 소비로 각광 받고 있다. 기존 논문에서 제안된 XOR 게이트는 최소한의 면적과 셀의 개수를 이용하여 설계 할 수 있음에도 불구하고 안정성 및 결과의 정확성 때문에 추가된 셀의 개수가 많았다. 본 논문에서는 기존의 XOR 게이트의 단점을 보완한 게이트를 제안한다. 본 논문의 XOR 게이트는 정사각형 구조로 AND 게이트와 OR게이트를 배치함으로써 셀 배선의 개수를 줄인다. 그리고 제안한 XOR 게이트를 이용하여 단순 인버터 역할을 하는 셀 2개를 추가해 반가산기를 제안한다. 또한 본 논문은 입력과 결과의 정확성을 위해 QCADesginer을 이용한다. 따라서 제안한 반가산기는 기존의 반가산기에 비해 더 적은 수의 셀, 전체 면적으로 구성됨으로 큰 회로에 사용할 때 혹은 작은 면적에 반가산기가 필요할 때 효율적이다.

• 대한전자공학회논문지SD
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• 제46권1호
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• pp.107-116
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• 2009

QCA는 현재 초고집적 저전력 디지털 시스템 구현 기술의 왕좌를 차지하고 있는 CMOS의 자리를 상속받을 가장 장래성 있는 차세대 나노 전자 소자 중 하나이다. QCA 셀의 하드웨어 기본 동작은 이미 1990년대 후반에 실험을 통하여 증명되었다. 또한 회로를 설계할 수 있는 전용설계 도구와 시뮬레이터도 개발되었다. 그러나 기존의 QCA 설계 기술은 초대규모 설계에 대한 준비가 부족하다. 본 논문은 기존의 대규모 CMOS 설계에서 사용되었던 검증 방법들과 도구를 QCA 설계에서 그대로 활용할 수 있는 새로운 접근 방법을 제시한다. 첫째로 셀 배치를 미리 정의된 구조에서 벗어나지 않도록 엄격하게 제한함으로써 항상 일관성 있는 디지털 동작을 보장하는 설계 규칙을 제안한다. 다음, QCA 설계의 게이트 및 상호연결 구조를 인식한 후 다수결 게이트의 입력 경로 균형과 잡음 증폭 방지 등을 포함하는 신호 충실도 보장 조건을 검사한다. 마지막으로 디지털 논리를 추출하여 OpenAccess 공통 데이터베이스로 저장하면 이미 CMOS 설계에서 사용되고 있는 풍부한 검증 툴과 연결되어 그들을 사용할 수 있게 된다. 제안된 방식을 검증하기 위해 2-비트 가산기 및 비트-직렬 가산기, 그리고 ALU 비트 슬라이스를 설계하였다. 디지털 논리를 추출하여 Verilog 넷 리스트를 생성시킨 후 상업용 소프트웨어로 시뮬레이션 하였다.