[发明专利]一种可逆逻辑电路及其操作方法

说明书

本发明公开了一种可逆逻辑电路及其操作方法，逻辑电路包括阻变单元、字线和位线，字线和位线相互垂直，阻变单元的正极与字线相连，作为第一输入端用于施加逻辑操作电压或者接地，阻变单元的负极与位线相连，作为第二输入端用于施加逻辑操作电压或者接地。进行可逆逻辑操作时，阻变单元四级电阻态作为逻辑输出，可实现单输入NOT和二输入C‑NOT可逆逻辑功能。本发明仅利用一个阻变单元实现了单输入和二输入可逆逻辑功能，所需器件数少，操作简单，为可逆逻辑的实现提供了备选方案；同时逻辑运算结果直接非易失地存储在阻变单元的电阻状态中，实现了存储与计算的融合。

技术领域

本发明属于数字电路领域，更具体的，涉及一种可逆逻辑电路及其操作方法。

背景技术

可逆逻辑在信息处理技术领域具有十分重要的应用前景。信息学的观点认为，传统布尔逻辑门电路的输出信息位数小于输入信息位数，失去的信息位将导致能量耗散，而可逆逻辑门的输出信息位数与输入信息位数相等，因此大大减少了能量耗散，有助于提升逻辑计算性能。目前基于CMOS器件的可逆逻辑门电路结构十分复杂，不利于大规模集成。其一是因为CMOS晶体管器件本身结构的复杂性，其二是因为可逆逻辑门由复杂的布尔逻辑门电路搭建而成。因此，需要一种简单高效的可逆逻辑功能实现方法。

非易失阻变器件具有比CMOS晶体管器件更为简单的结构，且电阻值能够随着流经电流的变化而改变。对于二级电阻态阻变器件，其高阻态和低阻态可以用来表示信息“0”和“1”，用于信息存储。此外，阻变器件还被提出可以实现逻辑运算。基于阻变器件的逻辑运算可以将电阻作为逻辑信号，运算结果直接存储在器件的电阻态中，即在同一器件或电路中完成数据的计算与存储，实现信息存储和计算的融合，提高信息处理效率。对于多级电阻态阻变器件，则可实现更多的逻辑功能，包括多值逻辑计算、非二进制逻辑计算、可逆逻辑等功能。对基于多级阻态阻变器件实现的可逆逻辑功能的探索，拓宽了阻变器件的应用范围，提升了信息处理的能力。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于多级电阻态阻变器件的可逆逻辑电路及其操作方法，旨在解决CMOS可逆逻辑电路结构复杂、不易于集成的问题。

本发明提供了一种可逆逻辑电路，包括阻变单元、字线和位线，字线和位线相互垂直，每条字线和位线之间由一个阻变单元连接。其中，阻变单元的正极与字线相连，阻变单元的负极与位线相连，阻变单元的正极可以作为第一输入端用于施加逻辑操作电压或者接地，阻变单元的负极可以作为第二输入端用于施加逻辑操作电压或者接地。当有电流从阻变单元所在的位线流向字线，即从阻变单元负极流向正极时，阻变单元的阻值会变大；阻变单元具有一个最高阻值，当达到最高阻值时，即使再有电流从单元负极流向正极，也无法使单元阻值进一步升高。最高阻值记为第一级电阻态，应用于单输入可逆逻辑时，记为逻辑0；应用于二输入可逆逻辑时，记为逻辑00。当有电流从阻变单元所在的字线流向位线，即从阻变单元正极流向负极时，阻变单元的阻值会变小；阻变单元具有一个最低阻值，当达到最低阻值时，即使再有电流从单元正极流向负极，也无法使单元阻值进一步降低。最低阻值记为第四级电阻态，应用于单输入可逆逻辑时，记为逻辑1；应用于二输入可逆逻辑时，记为逻辑11。

在第一级电阻态和第四级电阻态中间，可以通过施加不同大小的操作电压，使阻变单元达到第二级电阻态和第三级电阻态，分别记为01态和10态。其中，四个电阻态的阻值从高到低的排列依次为00态、01态、10态、11态。应用于二输入可逆逻辑时，四个电阻态代表的二位逻辑值分别为00、10、01、11。

当阻变单元阻态处在01态、10态和11态时，在单元所在位线上施加第一操作电压V1，单元所在字线接地，可使单元阻变至00态。当单元阻态处在00态时，在单元所在字线上施加第二操作电压V2，单元所在位线接地，可使单元阻变至01态；当单元阻态处在00态时，在单元所在字线上施加第三操作电压V3，单元所在位线接地，可使单元阻变至10态；当单元阻态处在00态时，在单元所在字线上施加第四操作电压V4，单元所在位线接地，可使单元阻变至11态。