양자점 셀룰라 오토마타를 이용한 선형 기반 엣지 트리거형 D 플립플롭의 분석 및 개선

Analysis and Improvement of Linear-Based Edge-Triggered D Flip-Flops Using Quantum-Dot Cellular Automata

CMOS 회로는 회로집적도와 CPU의 병렬 연결을 통해 성능 향상을 이끌어냈으나, 이러한 성능 향상은 높은 발열량과 낮은 신호 안정성 문제를 야기한다. 양자점 셀룰라 오토마타(QCA)는 이러한 문제점이 해결된 차세대 회로 기술이다. D 플립플롭은 신호를 유지 및 저장하기 위한 순차회로 중 하나로, 클럭의 상태 변화에 반응하는 엣지 트리거형과 클럭 상태에 반응하는 레벨 트리거형이 존재한다. 2018년, Sasamal 등이 QCA 상에서 5입력 다수결 게이트를 기반으로 멀티플렉서를 설계하였고, 이를 바탕으로 각각 상향, 하향, 그리고 듀얼 엣지 트리거형 D 플립플롭을 제안하였다. 해당 플립플롭들은 선형 기반의 D 플립플롭으로 기존에 존재하던 루프 기반의 D 플립플롭에 비해 지연시간이 짧다는 장점이 있으나, 잘못된 클럭 분배로 인해 잡음이 발생하며, 그에 따라 정상적으로 결과를 출력하지 못한다고 판단된다. 따라서, 본 논문에서는 기존에 제안된 회로들의 잡음에 의한 신호 변형을 QCADesigner를 사용해 분석하고, 클럭 분배의 길이를 조절해 올바른 신호가 출력될 수 있도록 개선한다.

CMOS circuits lead to improved performance through circuit integration and parallel connection of the CPU, but these performance improvements cause high heat generation and low signal stability. Quantum-dot cellular automata (QCA) is a next generation circuit technology that solves this problem. The D flip-flop is one of sequential circuits for holding and storing a signal. There are an edge-triggered type in response to a change in a clock state and a level-triggered type in response to a clock state. In 2018, Sasamal et al. designed a multiplexer based on 5-input majority gate on QCA, and based on this, proposed positive, negative, and dual edge-triggered D flip-flops respectively. These flip-flops are linear-based D flip-flops, which have the advantage of shorter delay compared to existing loop-based D flip-flops. However, the wrong clock distribution causes noise, and therefore, it is judged that the result may not be output properly. Therefore, in this paper, we analyze the signal distortion caused by noise of the proposed circuits using QCADesigner and improve it to output the correct signal by adjusting the length of the clock distribution.