سنتز و پیاده‌سازی مدارات برگشت‌پذیر با استفاده از سوئیچ تمام‌نوری MZI
محورهای موضوعی : مهندسی برق و کامپیوتر
یاسر سهرابی
1
(گروه برق، دانشگاه بین‌المللی امام رضا (ع) مشهد)
منیره هوشمند
2
(گروه برق دانشگاه بین‌المللی امام رضا (ع) مشهد)
محمد بلوکیان
3
(گروه برق، دانشگاه بین‌المللی امام رضا (ع) مشهد)
مریم موسوی
4
(گروه برق دانشگاه بین‌المللی امام رضا (ع) مشهد)
کلید واژه: محاسبات برگشت‌پذیر, مدارات برگشت‌پذیر تمام‌نوری, سوئیچ ماخ‌زندر,
چکیده مقاله :
در حال حاضر، فناوری VLSI با چالشی جدی روبه‌رو است؛ زیرا رشد نمایی متراکم‌سازی در تراشه‌های VLSI و CMOS به حد نهایی خود رسیده است. اتلاف توان در تراشه VLSI به تولید گرما اطلاق می‌شود که یک مانع واقعی در برابر فناوری سنتی CMOS است. منطق غیر برگشت‌پذیر منجر به مشکلاتی از قبیل اتلاف انرژی، تولید گرما، ازدست‌دادن اطلاعات و کندشدن محاسبات می‌شود. برای حل این مشکلات، نیازمند یک فناوری جدید هستیم و استفاده از منطق برگشت‌پذیر می‌تواند به حل این مشکل کمک کند. مدارهای برگشت‌پذیر در بسیاری از برنامه‌های کاربردی شامل طراحی‌های توان پایین، اهمیت زیادی دارند. منطق برگشت‌پذیر دارای بسیاری از کاربردهای دیگر در چندین فناوری مانند محاسبات کوانتومی، پردازش سیگنال دیجیتال، رمزنگاری، طراحی CMOS توان پایین، فناوری نانو، ترمودینامیک و بیوانفورماتیک است و اکثر آنها در حال حاضر تحت تحقیق هستند. یکی از زمینه‌های اصلی که مدارهای برگشت‌پذیر نقشی حیاتی در آن دارند، محاسبات نوری است. در میان رویکردهای برگشت‌پذیر، ثابت شده که محاسبات نوری می‌توانند سرعت بسیار بالایی ایجاد کنند؛ زیرا فوتون‌های موجود در نور دارای سرعت بسیار بالایی هستند. در کامپیوترهای نوری نسل آینده، مدارهای الکتریکی و سیم‌ها توسط تعدادی فیبر نوری جایگزین خواهند شد که این سیستم‌ها کارایی بیشتری خواهند داشت؛ زیرا بدون تداخل، ارزان‌تر، سبک‌تر و فشرده‌تر خواهند بود. بر اساس محاسبات نوری، چندین سوئیچ نوری برای کاربردهای آینده پیشنهاد گردیده که یکی از این سوئیچ‌ها سوئیچ ماخ‌زندر است و در این مقاله به مطالعه رفتار آن و مدارهای برگشت‌پذیری که با آن ساخته شده است، پرداخته می‌شود. در انتها سه گیت برگشت‌پذیر تمام‌نوری جدید با نام‌های NFT، SRK و MPG مؤثر در طراحی مدارهای منطقی برگشت‌پذیر تمام‌نوری مثل فیپ‌فلاپ‌ها و دیگر مدارهای ترتیبی برگشت‌پذیر تمام‌نوری را معرفی و طراحی می‌کنیم. همچنین به شبیه‌سازی برخی مدارهای برگشت‌پذیر تمام‌نوری پیاده‌سازی شده با سوئیچ ماخ‌زندر می‌پردازیم و چالش‌های شبیه‌سازی و راه حل‌های برطرف‌کردن این مشکلات را ارائه می‌نماییم.
VLSI technology is currently dealing with a serious challenge, as the exponential growth of density in VLSI and CMOS chips has reached its limit. Power dissipation in VLSI chip refers to heat generation, which is a real barrier against traditional CMOS technology. Irreversible logic leads to problems such as energy dissipation, heat generation, information loss and slow computations. We need a new technology for solving these problems. Using reversible logic can help solve this problem. In next generation of optical computers, electrical circuits and wires will be replaced by several optical fibers and these systems will be more efficient because they will be cheaper, lighter, and more compact without interference. Based on optical computations, several optical switches have been proposed for future applications. One of these switches is the Mach-Zehnder switch. Its behavior and the reversible circuits, which can be made with this switch is studied in this article. Finally, we introduce and design three new all-optical reversible gates named NFT, SRK and MPG, which are effective in designing all-optical reversible logical circuits such as flip-flops and other all-optical reversible sequential circuits. We also simulate one all-optical reversible circuits implemented with Mach-Zehnder switch and provide simulation challenges and solutions to overcome these challenges.
[1] R. C. Merkle, "Reversible electronic logic using switches," Nanotechnology, vol. 4, no. 1, Article ID: 21-134, Jan. 1993.
[2] I.J.R.i.c.a. Present, Cramming Mmore Components onto Integrated Circuits, 2000.
[3] R. W. Keyes and R. Landauer, "Development, minimal energy dissipation in logic," IBM Journal of Research and Development, vol. 14, no. 2, pp. 152-157, Mar. 1970.
[4] R. Landauer, "Irreversibility and heat generation in the computing process," IBM J. of Research and Development, vol. 5, no. 3, pp. 183-191, 14-18 Jul. 1961.
[5] T. Toffoli, "Reversible computing," in Proc. Automata, Languages and Programming: Seventh Colloquium Noordwijkerhout, vol. 7, pp. 632-644. Springer Berlin Heidelberg, July. 1980.
[6] R. Bennett, "Logical reversibility of computation," IBM journal of Research and Development, vol. 17, no. 6, 525-532, Nov. 1973.
[7] R. Bennett, "Notes on the history of reversible computation," IBM Journal of Research and Development, vol. 32, no. 1, pp. 16-23, Jan./Mar. 2000.
[8] R. Chauhan and J. Kedia, "A review on MZI based all optical reversible gates," 2017.
[9] S. Amoldeep and D. Divya, "Implementing all-optical new reversible gate using SOA-MZI architecture," Indian J. of Science and Technology, vol. 9, no. 40, pp.191-198, Oct. 2016.
[10] M. Ashis Kumar, "Full-optical Mach–Zehnder interferometer-based discrete Fourier transform," Journal of Optics, vol. 48, no. 2, pp. 252-261, Jun. 2019.
[11] C. Taraphdar, et al., "Mach-Zehnder interferometer-based all-optical reversible logic gate," Optics & Laser Technology, vol. 42, no. 2, 249-259, Mar. 2010.
[12] S. M. Mirizadeh and P. Asghari, "Fault-tolerant quantum reversible full adder/subtractor: Design and implementation," Optik, vol. 1, no. 253, pp. 168-543, Mar. 2022.
[13] M. K. Thomsen, et al., "Reversible arithmetic logic unit for quantum arithmetic," Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, vol. 43, no. 38, 382-002, Aug. 2010.
[14] S. A. Cuccaro, et al., A New Quantum Ripple-Carry Addition Circuit, arXiv preprint quant-ph, 0410184, Octo. 2004.
[15] S. D. Thabah and P. Saha, "Low quantum cost realization of reversible binary-coded-decimal adder," Procedia Computer Science, vol. 1, no. 167, pp. 1437-43, January. 2020.
[16] S. Kotiyal, H. Thapliyal, and N. Ranganathan, "Mach-Zehnder interferometer based design of all optical reversible binary adder," in Proc. of the Conf. on Design, Automation and Test in Europe, pp. 721-726, Dresden, Germany, 12-16 Mar. 2012.
[17] S. A. Moldeep, D.J.I.J.o.S. Divya, and Technology, "Implementing all-optical new reversible gate using SOA-MZI architecture," Indian Journal of Science and Technology, vol. 9, no. 40, Pages: 1-9, Oct. 2016.
[18] M. Zhang, et al., "Design and analysis of all-optical XOR gate using SOA-based Mach-Zehnder interferometer," Optics Communications, vol. 223, no. 4-6, 301-308, Aug. 2003.
[19] S. Roy, et al., "All-optical reversible logic gates with optically controlled bacteriorhodopsin protein-coated microresonators," Advances in Optical Technologies, vol. 2012, Article ID 727206, 12 pp, Jun. 2012.
[20] S. Nivedita and R. Goyal, "All-optical decoder/demultiplexer with enable using SOA based Mach-Zehnder interferometers," in Proc, 6th Int. Conf. on Signal Processing and Integrated Networks, SPIN'19, pp. 780-784, Noida, India, 7-8 Mar. 2019.
[21] R. Jindal and D. Ruhela, "All-optical N-bit multiplier design using Mach-Zehnder interferometer," in Proc. 2nd Int. Conf. for Emerging Technology, INCET'21, 8 pp., Belagavi, India, 21-23 May 2021.
[22] T. Chattopadhyay and D. K. Gayen, "Optical half and full adders using the nonlinear Mach-Zehnder interferometer," Journal of Optics, vol. 50, pp. 314-321, Jun. 2021.
[23] N. Sukhender, P. Mittal, and S. Kaur, "Design of all-optical D flipflop using SOA-MZI architecture," in Proc. Int. Conf. on Artificial Intelligence and Smart Systems, ICAIS'21, pp. 1657-1662, Coimbatore, India, 25-27 Mar. 2021.
[24] A. Johari, B. Kaushik, A. Bhatnagar, P. Dubey, and S. Naithani, "Implementation of Mach Zehnder modulator based all optical gates," Novel Optical Systems, Methods, and Applications XXII, vol. 11105, pp. 130-137, SPIE, Sept. 2019.
[25] S. Saha and S. Mukhopadhyay, "All optical frequency encoded quaternary memory unit using symmetric configuration of MZI-SOA," Optics & Laser Technology, vol. 131, no. 1, pp.106-386, Nov. 2020
[26] A. Poustie and K. Blow, "Demonstration of an all-optical Fredkin gate," Optics Communications, vol. 174, no. 1-4, pp. 317-320, Jan. 2000.
[27] N. Kostinski, M. P. Fok, and P. R. J. O. L. Prucnal, "Experimental demonstration of an all-optical fiber-based Fredkin gate," Optics letters, vol. 34, no. 18, pp. 2766-2768, Sept. 2009.
[28] K. Bordoloi, T. Theresal, and S. Prince, "Design of all optical reversible logic gates," in Proc. Int. Conf., Communications and Signal Processing, ICCSP'14, pp. 1583-1588, Melmaruvathur, India, 3-5 Apr. 2014.
[29] A. Vijayasri and B. M. Krishna, SoA Based Carry Lookahead Adder Using Reversible MZI, 2016.
[30] P. Dutta, Implementation and Synthesis of Reversible Logic Using MZI Switches, Ph.D. Dissertation, Indian Institute of Engineering Science and Technology, Shibpur, India, Apr. 2015.