Открытая разработка нанокомпилятора QCADesiner

Открытая разработка нанокомпилятора QCADesiner канадской фирмы из Университета в Калгари (рис.21—рис.27) [98—133]. Эта разработка ведётся с 2001 года, текущая версия 2.0.3 от 2006 года, выполняется в научных рамках европейского проекта QUANDRANT (Quantum Devices for Advanced Nano - electronic Technology: Квантовые приборы для улучшенной наноэлектронной технологии, Проект ESPRIT по MEL-ARI #23362, http://cordis.europa.eu/esprit/src/melari.htm, www.nd.edu/~qcahome/) [11—25; 90; 98—133]. Эти работы поддерживают ведущие американские фирмы-разработчики САПР СБИС: Synopsys (www.synopsys.com), MentorGraphics (www.mentor.com), а также Управление ВВС США по научным исследованиям (AFOSR – Air Force Office for Scientific Research), Управление ВМС США по научным исследованиям (ONR – Office of Naval Research), Управление перспективных исследований и разработок МО США (DARPA – Defense Advanced Research Projects Agency), Национальный научный фонд США (NFS – National Science Foundation).

Рис.27. Интерфейс пользователя открытого нанокомпилятора QCADesigner (www.qcadesigner.ca/) на платформе Linux/UNIX. Топология вентиля 1-но битной ячейки памяти ОЗУ на ШКТ (QCA).

Разными оттенками показаны разные фазы переключения ШКТ (QCA).

 

Нанокомпилятор QCADesiner доступен для скачивания и тщательного вдумчивого изучения с сайта (www.qcadesigner.ca/) и условно свободного, на правах GPL, использования не только в откомпилированном виде для Microsoft Windows ME/NT/XP, Linux (для платформ на базе AthlonXP, Intel-IV, PowerPC), Mac OS X, но и в исходных текстах на K&R C с использованием кроссплатформенной библиотеки GTK+.

QCADesigner разрабатывается на языке C (Cи), на основе строго процедурной технологии (K&R C без C++ и без использования аппарата объектно-ориентированного программирования) на основе кроссплатформенной библиотеки GTK +, содержащей описания структур данных и функций виджитов (Widget) [142, 143]. Благодаря этому разрабатывать, модифицировать и выполнять QCADesigner можно одновременно для всех популярных компьютерных платформ: Microsoft Windows ME/NT/XP/Vista, Linux (Red Hat, Fedora Core 4, Debain), FreeBSD, UNIX, Mac OS X.

Нанокомпилятор QCADesigner позволяет строить с помощью специализированного графического редактора топологии слоёв наносхем на ШКТ (QCA: Cell, Array), объединять слои (Drawing Layer; Substrate; Main Cell Layer) в многослойные 3D наносхемы и моделировать их работу, выполняя трассировку шин (Bus Layout) и рассчитывая циклограммы (Waveform). Для отдельного ШКТ (Normal Cell) можно задать функция «Fixed Polarization» или «Input/Output». При задании второй функции поляризация определяется текущим динамическим состоянием наносхемы и положением данного ШКТ в ней. Состояния поляризации ШКТ в наносхеме визуализируются.

Для расчета динамики прохождения сигнала по цепи ШКТ на основе физических принципов Кулоновской блокады и туннелирования электронов внутри ШКТ используются методы:

· моделирования бистабильности (Bistable Simulation Engine) – на базе стационарного уравнения Шрёдингера (не зависимого от времени):

,                                                   (4.1)

· моделирования когерентного вектора (Coherence Vector Simulation Engine) – на базе нестационарного уравнения Шрёдингера (с учётом временной динамики):

.                                                 (4.2)

Для детального изучения руководство пользователя QCADesigner [84] можно получить на сайте www.qcadesigner.ca/tutorials/QCATutorial.html или у автора ([email protected]).

 

4.2. Программа-симулятор Q-BART фирмы MentorGraphics

Для моделирования вычислительных архитектур на основе квантовых клеточных автоматов (ККА), состоящих из нескольких сотен или тысяч ячеек ККА – ШКТ (QCA), фирма MentorGraphics [21; 22; 130] (www.mentor.com, www.nd.edu/~qcahome/, www.cse.nd.edu/~cse_proj/qca_design/papers/dacPaper.pdf) вместе Университетом Нотер-Дам (Индиана, США) разработала программу-симулятор Q - BART: Quantum Based Architecture Rules Tool.

       Моделирование работы наносхем в Q-BART построено на формальных логических правилах взаимодействия ШКТ, расположенных на регулярной решётчатой структуре:

· 90⁰-ШКТ взаимодействуют с 90⁰-ШКТ (рис.10).

· 45⁰-ШКТ взаимодействуют с 45⁰-ШКТ (рис.11).

· 90⁰-ШКТ взаимодействуют с off-центром 90⁰-ШКТ.

· 90⁰-ШКТ забирают значение от 45⁰-шины ШКТ через комплементарный ответвитель сигнала (рис.17).

· Мажоритарные вентили на ШКТ взаимодействуют с 90⁰-ШКТ (рис.16).

· Три бинарных входа мажоритарных вентилей на ШКТ задают его текущее состояние (рис.14).

· Пересечение 45⁰-шин и 90⁰-шин без передачи и потери передающихся сигналов выполняется кроссовером (рис.16).

· Передача значения из 90⁰-ШКТ в 45⁰-ШКТ (рис.17).

 

5. Нанокомпилятор для замкнутой нанотехнологической линии.

Шесть логических вычислительных ядер

Нанокомпилятор (рис.28—рис.34) для замкнутой нанотехнологической линии: нанокомпилятор (САПР НЭ) + нанофабрика (НТУ) предназначен для изготовления функциональных и управляющих систем на базе НЭ, в том числе для встраиваемых интеллектуальных распределённых управляющих информационных систем. Замкнутая нанотехнологическая линия должна обеспечить сохранение преимуществ отработанных в предыдущие периоды времени программно-алгоритмических и архитектурных решений узлов, блоков и ячеек БРЭА и вложенных в них инвестиций при переходе на нанотехнологию их изготовления в виде СнК.

В Министерстве образования и науки РФ (www.fcntp.ru) находится на рассмотрении рабочей группы заявка на формирование тематики и финансирование разработки нанокомпилятора (таблица 1.)

Таблица 1.

Рег. №	Дата	Тема заявки	Организация-заявитель	Состояние
6984	28.01.08	Нанокомпилятор для замкнутой нанотехнологической линии – система автоматизированного проектирования и разработки наноэлементов (САПР НЭ) сопряжённая с нанофабрикой: нанотехнологической установкой, для изготовления функциональных и управляющих систем на базе наноэлементов, в том числе, для встраиваемых интеллектуальных распределённых управляющих информационных систем.	Закрытое Акционерное Общество "Конструкторское бюро "Алмаз-37"	Рассматривается рабочей группой

 

       Нанокомпилятор (САПР НЭ) представляет собой пакет прикладных программ (ППП), удовлетворяющий техническим требованиям (п.2) и состоящим из 6-ти вычислительных ядер. Точного определения вычислительного ядра не существует, однако этим расплывчатым термином принято обозначить подсистему функций (подпрограмм, процедур), переменных, массивов и структур данных, предназначенных для выполнения некоторого обособленного класса или группы системных или прикладных задач, которые обеспечивают решение главных задач данного ППП. Для нанокомпилятора (САПР НЭ) сформировано шесть вычислительных ядер.

1. Ядро HDL - RTL. Анализаторы HDL-описаний, генераторы RTL-описаний информационных управляющих наносхем (рис.28).

Лексические анализаторы исходных текстов HDL-описаний проектов управляющих информационных наносхем для VHDL, Verilog, SystemVerilog, SystemC, C, C++.

Синтаксические анализаторы исходных текстов HDL-описаний проектов управляющих информационных наносхем для VHDL, Verilog, SystemVerilog, SystemC, C, C++.

Семантические анализаторы исходных текстов HDL-описаний проектов управляющих информационных наносхем для VHDL, Verilog, SystemVerilog, SystemC, C, C++.

Генератор RTL-описания (регистровый уровень) управляющих информационных наносхем.

 

2. Ядро генерации 2 D /3 D топологий информационных управляющих наносхем на основе ШКТ (QCA).

Физические основы генератора 2D/3D топологий управляющих информационных наносхем на основе библиотечных вентилей и вентильных групп на базе ШКТ (QCA).

Генератор библиотек элементов топологий вентилей и вентильных групп на базе ШКТ (QCA), реализующих стандартные элементы и блоки цифровых схем (рис.39).

3. Ядро генерации 2 D /3 D топологий функциональных наносистем (рис.40).

2D/3D матрицы широкополосных фотоприёмников.

2D матрицы широкополосных излучателей.

Математическая модель квантового энергетического элемента (градиентного концентратора). Метод численного расчёта электрофизических параметров.

Силовая система на основе инжекционных нанодвижителей – распределённые матрицы функциональных наноэлементов.   

2D/3D матрицы наноразмерных магнитно-газо-динамических и магнито-гидро-динамических (МГД) генераторов электроэнергии.

 

4. Ядро генерации нанотехнологической маршрутной карты для синтеза (изготовления и тестирования) на НТУ управляющих информационных наносхем на базе ШКТ (QCA) и функциональных наносистем (рис.40).

Задание и формирование 2D топологии наноэлементов.

Скорость нанолитографии. Факторы, определяющие производительность НТУ «Алмаз-М»

 

5. Ядро технологии виртуальной реальности для визуализации наноструктур и нанотехнологических процессов. Качественное повышение творческих возможностей исследователей за счёт повышения наглядности (рис.50—рис.64).

 

6. Ядро общих унифицированных структур данных и функций файловой системы, оконной системы, системы динамического выделения и освобождения блоков памяти.

Основные структуры данных.

Оконная система (рис.65, рис.66).

Динамическое выделение и освобождение блоков памяти.

Почему структурное программирование для СПОПО НТУ и нанокомпилятора (САПР НЭ) лучше объектно-ориентированного программирования.

Использование вытесняющей многозадачности.

Использование виртуальных программных таймеров.

Сетевая модель «КЛИЕНТ—СЕРВЕР».

Иерархическая файловая система.