Field-Coupled Nanocomputing: Paradigms, Progress, and Perspectives

پارادایم‌های نانو محاسبات مرتبط با میدان (FCN) رویکردهای اساساً جدیدی را برای پردازش اطلاعات دیجیتال ارائه می‌کنند که از ترانزیستور استفاده نمی‌کنند یا نیاز به انتقال بار ندارند. انتقال و محاسبه اطلاعات در FCN از طریق تعاملات میدانی محلی بین بلوک‌های ساختمانی در مقیاس نانو که در آرایه‌های الگو سازماندهی شده‌اند، به دست می‌آیند. چندین پارادایم FCN در حال حاضر تحت بررسی فعال هستند، از جمله اتوماتای ​​سلولی کوانتومی (QCA)، اتوماتای ​​سلولی کوانتومی مولکولی (MQCA)، منطق نانومغناطیسی (NML) و اتوماتای ​​سلولی کوانتومی اتمی (AQCA). هر یک از این پارادایم ها دارای تعدادی ویژگی منحصر به فرد هستند که آن را به عنوان یک نامزد برای نانومحاسبات پس از CMOS جذاب می کند، و هر کدام با چالش های حیاتی برای تحقق مواجه هستند.

این نظرسنجی پیشرفته ارائه می دهد. تصویری از تحولات جاری و جهت گیری های جدید تحقیقاتی در حوزه FCN. کتاب به پنج بخش تقسیم شده است. بخش اول، پارادایم‌های نانومحاسباتی مرتبط با میدان، اطلاعات و دیدگاه‌های ارزشمندی را در مورد پارادایم‌های QDCA، MQCA، NML و AQCA و تکامل آنها ارائه می‌کند. بخش دوم، مدارها و معماری ها، به طیف گسترده ای از تحقیقات جاری در مورد استراتژی های کلاک FCN، سنتز منطق، طراحی و تست مدار، منطق در حافظه، امنیت سخت افزار و معماری می پردازد. بخش سوم، مدل‌سازی و شبیه‌سازی، مدل‌سازی نظری و شبیه‌سازی رایانه‌ای مدارهای بزرگ FCN و همچنین استفاده از شبیه‌سازی‌ها برای جمع‌آوری بینش فیزیکی در بلوک‌های ساختمانی اولیه FCN را در نظر می‌گیرد. بخش چهارم، برگشت ناپذیری و اتلاف، پیامدهای اتلاف ناپذیر از دست دادن اطلاعات در مدارهای FCN، کمی سازی آنها و اتصال آنها به ساختار مدار را در نظر می گیرد. بخش پنجم، راه پیش رو: فرصت ها و چالش ها، شامل متن ویرایش شده ای از بحث پانل است که کارگاه FCN 13 را به پایان رساند.

Field-coupled nanocomputing (FCN) paradigms offer fundamentally new approaches to digital information processing that do not utilize transistors or require charge transport. Information transfer and computation are achieved in FCN via local field interactions between nanoscale building blocks that are organized in patterned arrays. Several FCN paradigms are currently under active investigation, including quantum-dot cellular automata (QCA), molecular quantum cellular automata (MQCA), nanomagnetic logic (NML), and atomic quantum cellular automata (AQCA). Each of these paradigms has a number of unique features that make it attractive as a candidate for post-CMOS nanocomputing, and each faces critical challenges to realization.

This State-of-the-Art-Survey provides a snapshot of the current developments and novel research directions in the area of FCN. The book is divided into five sections. The first part, Field-Coupled Nanocomputing Paradigms, provides valuable background information and perspectives on the QDCA, MQCA, NML, and AQCA paradigms and their evolution. The second section, Circuits and Architectures, addresses a wide variety of current research on FCN clocking strategies, logic synthesis, circuit design and test, logic-in-memory, hardware security, and architecture. The third section, Modeling and Simulation, considers the theoretical modeling and computer simulation of large FCN circuits, as well as the use of simulations for gleaning physical insight into elementary FCN building blocks. The fourth section, Irreversibility and Dissipation, considers the dissipative consequences of irreversible information loss in FCN circuits, their quantification, and their connection to circuit structure. The fifth section, The Road Ahead: Opportunities and Challenges, includes an edited transcript of the panel discussion that concluded the FCN 13 workshop.