JP4510895B2

JP4510895B2 - ナノスケール状態機械、ナノスケールパイプライン及び他のナノスケール電子回路において用いるためのナノスケールラッチ及びインピーダンス符号化ロジック

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Publication number: JP4510895B2
Application number: JP2007538992A
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Inventors: グレゴリーエス．スナイダー; フィリップジェー．クェケス
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2004-10-27
Filing date: 2005-10-14
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Description

本発明はナノスケールエレクトロニクスに関し、詳細には、ナノスケールラッチ、及びインピーダンス駆動ナノスケールロジックにおいてインピーダンス符号化ナノスケールラッチを用いるための方法に関する。

［発明の背景］
何年にもわたって研究開発を重ねてきた結果として、ナノスケールエレクトロニクス分野において大きな成果が上げられてきた。ナノスケールエレクトロニクスは一般的には、種々の方法のうちのいずれかによって製造され、１００ｎｍより狭い幅を有する信号線と、１個〜数十個又は数百個の分子からそれぞれ形成される能動電子部品及び受動電子部品とを含む電子回路を指している。１つの有望なナノスケール電子回路アーキテクチャでは、第１の組の近接配置される平行なナノワイヤと、その上に置かれる第２の組の近接配置される平行なナノワイヤからナノワイヤクロスバーが形成され、第１の組のナノワイヤからのナノワイヤが第２の組のナノワイヤからのナノワイヤと交差する重なり領域、すなわちナノワイヤ接合部内に、ダイオード、抵抗及び受動接続子等の電子部品が形成される。

図１Ａ〜図１Ｃは、簡単な汎用ナノワイヤクロスバーを示す。図１Ａ〜図１Ｃは全て同じ図示規則を使用しているので、簡潔にするために、その構成は図１Ａだけを参照しながら説明される。図１Ａでは、第１の組の平行なナノワイヤが垂直線１０２〜１０５によって表され、第２の組の平行なナノワイヤが水平線１０６〜１０８、１１０及び１１１によって表される。２組の平行なナノワイヤは、第１の組のナノワイヤと第２の組のナノワイヤとの間の特定のナノワイヤ接合部において選択的に形成されるナノスケール電子部品とともに、例示的なナノワイヤクロスバー１００を構成する。図１Ａでは、ナノスケール電子部品は円板１１２〜１１７によって表される。ナノスケール電子部品は、ナノスケールダイオード、ナノスケール抵抗、ナノスケール接続点及びナノスケールトランジスタを含む。

図１Ｂは、ナノワイヤクロスバーによって実現される電子回路の動作を示す。図１Ａ〜図１Ｃの例示的なナノワイヤクロスバーのナノワイヤ１０６〜１０８のような、第２の組のナノワイヤのうちの第１のグループのナノワイヤは入力信号線としての役割を果たすことができ、図１Ａ〜図１Ｃの例示的なナノワイヤクロスバーのナノワイヤ１１０のような、第２の組のナノワイヤのうちの第２のグループのナノワイヤは出力信号線としての役割を果たすことができる。図１Ａ〜図１Ｃの例示的なナノワイヤクロスバー１００は、ナノスケール論理回路を具現しており、３ビットの信号が入力され、１ビットの信号が出力される。

ナノワイヤクロスバーは一般的に、第１の平行なナノワイヤの組及び第２の平行なナノワイヤの組の中に数十〜数百の平行なナノワイヤを含み、それらのナノワイヤは、入力信号線、出力信号線及び内部信号線として概ね自由に割り当てることができる。このように割り当てることは、ナノワイヤと付加的な信号線及び回路とを相互接続することによって行われる。ナノワイヤクロスバーの論理機能は、ナノワイヤクロスバー内の特定のナノワイヤ接合部にナノスケール電子部品１１２〜１１７を選択的に形成することによって決定される。特定のタイプのナノワイヤクロスバーでは、ナノワイヤ接合部はプログラムし直すことができる。それゆえ、そのようなリプログラマブルナノワイヤクロスバーによって実装される電子回路は、繰返し定義し直すことができる。図１Ｂに示されるように、入力「１０１」が高電圧及び低電圧として符号化され、図１Ａ〜図１Ｃに示される例示的なナノワイヤクロスバーの入力信号線１０６〜１０８に入力されるとき、出力信号線１１０上に信号「１」が出力される。

図１Ｃは、図１Ｂに示されるのとは異なる論理入力／論理出力対を示す。図１Ｃでは、例示的なナノワイヤクロスバーは、入力信号「１００」を出力信号「０」に変換する。その例示的なナノワイヤクロスバーのための完全な論理的記述は、取り得る論理入力／論理出力対の表から成るか、又は別法では、取り得る論理入力／論理出力対を導出することができる１つ若しくは複数のブール論理式から成るであろう。一般的に、ナノワイヤクロスバーを用いて、信号線又はビット内の任意幅の入力論理信号を、任意幅の出力論理信号に変換する任意の論理回路を実現することができる。

ナノワイヤ接合部においてダイオードのようなナノスケール部品を利用するナノワイヤクロスバーが、新世代のナノスケールエレクトロニクスの重要な論理部品として提案されている。ダイオード−抵抗ロジックは本質的に、ダイオードによる電圧降下並びにプルアップ抵抗及びプルダウン抵抗に起因して、信号を劣化させる。ダイオードロジックを縦続接続することによって、信号劣化が累積されるので、ダイオードロジックが任意の多数の段数で縦続接続されるとき、そのような縦続接続された論理回路が使用できなくなるほどの大きな信号劣化が引き起こされる。信号劣化は、ありとあらゆるダイオード−抵抗論理ステージを通じて累積するので、信号の完全な状態を復元するために、ダイオード−抵抗論理ステージ間で劣化した信号を増幅する必要がある。また、ダイオード−抵抗ロジックは、論理状態を記憶する能力を欠いているので、逐次的なダイオード−抵抗ロジックを実現することは難しい。

［発明の概要］
本発明の種々の実施の形態は、インピーダンス駆動ロジックを利用するナノスケール電子回路内に論理値をインピーダンス状態として格納する、論理状態を記憶するインピーダンス符号化ナノスケールラッチの実現及び使用に関する。これらの実施の形態のうちの特定の実施の形態では、インピーダンス駆動ロジックを利用するナノスケール電子回路とともに、ナノスケールラッチを用いることによって、縦続接続される一連の論理回路に沿って電圧余裕が累積的に劣化することが避けられ、中間の論理値が一時的に格納されるようになり、それにより、複雑なナノスケール論理回路パイプライン、ナノスケール論理回路に基づく状態機械、並びに種々の異なる相互接続トポロジ及び対応する機能を有する他の複雑な論理デバイスを実現するために、ナノワイヤクロスバーにより実現される論理回路を、ナノスケールラッチを通じて、他のナノワイヤクロスバーにより実現される論理回路に実用的に相互接続できるようになる。

［発明の詳細な説明］
本発明の種々の実施形態は、ナノスケールインピーダンス駆動論理回路（「ＮＩＤＬＣ」）によって生成され、使用される論理状態を格納するためのナノスケールインピーダンス符号化ラッチ（「ＮＩＥＬ」）を構成及び使用することに関する。ＮＩＥＬによって、ＮＩＤＬＣが縦続接続され、１ステージのロジックにおいて実現可能な機能よりも複雑な論理機能を作り出すことができるようになる。インピーダンス駆動論理ステージを通り抜ける際に劣化する信号を、１つ又は複数の介在するＮＩＥＬの動作を通じて、高める、すなわち復元することができる。ＮＩＤＬＣ及び介在するＮＩＥＬをクロック制御して、パイプライン、状態機械、及びさらに複雑な論理回路を作り出すことができる。以下の説明は、（１）ヒステリシス抵抗、（２）ＮＩＥＬ、（３）ラッチアレイ、（４）ダイオード−抵抗ロジック、（５）インピーダンス駆動ロジック、（６）インピーダンス符号化論理ステージ及びインピーダンス駆動論理ステージ、（７）パイプライン、（８）パイプライン動作、（９）状態機械、（１０）例示的な状態機械及び（１１）例示的な状態機械の動作を含む、多数の分節において、一般的な情報、並びに本発明の概要及び詳細の両方を提供する。

［ヒステリシス抵抗］
図２は、２本のナノワイヤを相互接続するナノワイヤ接合部に形成することができるナノスケールヒステリシス抵抗の電子工学的な挙動を示す。図２では、横軸２０２に電圧がプロットされ、縦軸２０４に電流がプロットされる。プロットされた電流／電圧関係、すなわち図２の線分は、ナノスケールヒステリシス抵抗を低インピーダンス論理状態０（図４Ａの４０２）から高インピーダンス論理状態１（図４Ａの４０４）に切り替え、再び元に戻すことを示す、図２の動作ループを形成する。相対的にわずかに傾いた線分２０６は、高インピーダンス論理状態１、すなわち開いた状態にあるナノスケールヒステリシス抵抗のための電流／電圧関係を表す。線分２０６の小さな傾きは、オームの法則によって表されるように、高インピーダンス、すなわち開いた（open）スイッチに印加される電圧が変化しても、電流は相対的に小さくしか変化しないことを表す。
Δｉ_c／ΔＶ_c＝１／Ｒ_open
Ｒ_closedは、先に説明されたように相対的に小さいので、結果として、電流変化対電圧変化比が大きくなる。相対的に大きく傾いた線２０８は、ナノスケールヒステリシス抵抗の低インピーダンス論理状態０、すなわち閉じた（closed）状態を表しており、オームの法則によって表されるように、印加される電圧の変化が相対的に小さくても、相対的に大きな電流変化が引き起こされる。
Δｉ_c／ΔＶ_c＝１／Ｒ_closed

線分２０６によって表される、開いた、高インピーダンス状態では、ナノスケールヒステリシス抵抗の中に流れる電流の量は、電圧軸上の点２１０にある正の印加電圧Ｖ_closeに達するまで、概ね一定のままである。その点において、ナノスケールヒステリシス抵抗はインピーダンス状態の変化を受け、その状態変化の過程において、ナノスケールヒステリシス抵抗の中に流れる電流の量は、垂直線分２１２が低インピーダンスの閉じた状態にあるナノスケールヒステリシス抵抗のための電流／電圧関係を表す傾いた線分２０８と交差する点２１４まで、垂直線分２１２に沿って大幅に増加する。印加される正の電圧がＶ_closeよりも高い電圧まで増加すると、それに応じて、傾いた線２０８の正の方向への延長線に沿って電流が増加するであろう。印加される電圧が減少する場合には、それに応じて、ナノスケールヒステリシス抵抗の中に流れる電流が減少し、点２１６まで線分２０８に沿って下がる。負の印加電圧Ｖ_openを表す点２１６では、ヒステリシス抵抗の中に流れる電流が、垂直線２１８に沿って急激に減少し、高インピーダンスの開いた状態を表す、わずかに傾いた線分２０６と交差する。こうして、負の印加電圧Ｖ_openにおいて、ヒステリシス抵抗は、低インピーダンスの閉じた状態から高インピーダンスの開いた状態への状態変化を受ける。Ｖ_openよりも大きな負の電圧を印加することによって、線分２０８を負の電圧方向に延長することによって表されるような、負の方向における電流の増加が引き起こされるであろう。

Ｖ_d ⁺２２０〜Ｖ_d ^-２２２の範囲から外れる電圧が印加されると、ナノスケールヒステリシス抵抗は不可逆的に破壊されることがあるので、一般的に、ナノスケールヒステリシス抵抗は、負の電圧Ｖ_openよりやや低い電圧から正の電圧Ｖ_closeよりやや高い電圧までの電圧範囲において動作する。ただし、Ｖ_d ⁺は、それ以上ではヒステリシス抵抗が破損する正の破壊電圧であり、Ｖ_d―は、それ以下ではヒステリシス抵抗が破損する負の破壊電圧である。ヒステリシス抵抗を含むＮＩＥＬの論理状態、すなわちインピーダンス状態は、抵抗と直列に、ナノスケールヒステリシス抵抗によって相互接続されるナノワイヤ間に電圧を印加し、ナノスケールヒステリシス抵抗の端子間での電流の流れ又は電圧降下を確定することによって判定することができる。大きな電圧降下、すなわち小さな電流は、ナノスケールヒステリシス抵抗が開いた、高インピーダンス状態にあることを指示し、一方、相対的に低い電圧降下、すなわち相対的に大きな電流は、ナノスケールヒステリシス抵抗が低インピーダンスの閉じた状態にあることを指示する。

特定のナノスケールヒステリシス抵抗の実施態様の物理的特性によって、Ｖ_open及びＶ_closeの絶対値及び極性は異なることがある。たとえば、Ｖ_openが正の電圧であり、Ｖ_closeが負の電圧であるナノスケールヒステリシス抵抗の実施態様、又は言い換えると、上記のヒステリシス抵抗に対してＶ_open及びＶ_closeの電圧の極性が反転された実施態様も実現可能である。Ｖ_open、Ｖ_close、Ｖ_d ⁺、及びＶ_d ^-の絶対値も、実施態様が異なれば大きく異なることがある。

［インピーダンス符号化ラッチ］
図３は、ＮＩＥＬを実現するために、本発明の種々の実施形態においてヒステリシス抵抗がいかに利用されるかを示す。ナノスケールヒステリシス抵抗は、２つの異なるインピーダンス状態３０２及び３０４のうちの一方をとるように電気的に制御することができる。第１の状態３０２では、ナノスケールヒステリシス抵抗のインピーダンスは相対的に低く、低インピーダンス接続を通じて２本のナノワイヤの相互接続を提供する。以下の説明では、この状態を、ブール値「０」インピーダンス論理状態と呼ぶことにし、図式的な表現では閉じたヒステリシス抵抗スイッチ３０３として表す。ナノスケールヒステリシス抵抗によってとられることがある第２の状態は相対的に高いインピーダンス状態３０４である。相対的に高いインピーダンス状態を、ブール論理状態「１」と呼ぶことにし、図式的な表現では開いたヒステリシス抵抗スイッチ３０５として表す。それゆえ、ナノスケールヒステリシス抵抗は、電流レベル又は電位ではなく、インピーダンス状態として論理状態を格納する。低インピーダンス状態３０２は基本的には、２本のナノワイヤ間の低インピーダンス相互接続を表し、一方、高インピーダンス状態は、基本的には２本のナノワイヤ間が相互接続されていないものと見なすことができ、それゆえ、開いたスイッチ３０５として図式的に表される。

図４Ａ〜図４Ｃは、ナノスケールヒステリシス抵抗の１論理記憶素子ＮＩＥＬとしての使用を示す。図４Ａ〜図４Ｃでは、異なる時点におけるデバイスのインピーダンス状態又は論理状態を示すために、ナノスケールヒステリシス抵抗のスイッチに似た図式的表現（図３における３０３及び３０５）が利用される。最初に、１素子ＮＩＥＬは、以前の論理状態値、すなわち内容を含むが、それはもはや必要とされないこともある。したがって、図４Ａに示されるように、そのＮＩＥＬは、閉じた状態４０２にあるか、又は開いた状態４０４にあるかのいずれかの場合がある。閉じた状態、開いた状態のいずれであっても、最初のステップにおいて、垂直ナノワイヤ４０５及び４０６に相対的に大きな正の電圧が印加され、ナノスケールヒステリシス抵抗に、Ｖ_openよりもさらに大きな負の値である、負の電圧降下を与える。

大きな正の電圧を印加することにより、ナノスケールヒステリシス抵抗に破壊的な負の電位がかかる可能性が生まれる。この可能性は、ダイオード４１２を通じて、水平ナノワイヤ４０８をグランド４１０に相互接続することによって緩和される。ダイオード４１２は、この最初のステップ中だけ順方向バイアスをかけられ、ヒステリシス抵抗を保護するために必要とされる、グランドへの低インピーダンス経路を与える。入力信号が入力抵抗を通じてグランドに接地されるだけであったなら、ヒステリシス抵抗が最初に閉じているときに、分圧回路が形成されるので、スイッチを開くためにヒステリシス抵抗にＶ_openの電圧降下を生み出すために、垂直ナノワイヤに印加される負の電圧がＶ_openよりも大きくならざるを得なくなる。しかし、垂直ナノワイヤに、Ｖ_openよりも大きな負の電圧を印加し、スイッチを開いて、高インピーダンス状態にする際に、分圧回路の中に流れる電流が急速に減少し、その時点で、印加された負の電圧の大半が、ヒステリシス抵抗での電圧降下となる。絶対値において印加される負の電圧がＶ_d ^-を超えるとき、ヒステリシス抵抗は不可逆的に破壊されることがある。したがって、ダイオード４１２は、接合部が高インピーダンス状態に遷移するときに接合部電圧が破壊的なスパイクを呈するのを防ぐ低インピーダンス経路を提供する。

ＮＩＥＬの垂直ワイヤ４０５及び４０６、すなわち制御電圧入力４０５及び４０６に相対的に大きな正の電圧が印加されると、ナノスケールヒステリシス抵抗は、図２の閉じた状態の低インピーダンス線分２０８と開いた状態の高インピーダンス線分２０６とを結ぶ、図５の垂直な線分２１８に沿って、開いた状態４１６になる。こうして、ＮＩＥＬの初期論理状態に関係なく、正の電圧４０５及び４０６を印加することによって、そのＮＩＥＬは開いた論理状態にされる。

次に、負の電圧４２０が垂直ワイヤに印加される。この負の電圧が印加されることによって、ナノスケールヒステリシス抵抗の端子間に、正の電圧Ｖ_closeよりも小さな正の電圧が導入される。それゆえ、負の電圧４２０が印加されることにより、ナノスケールヒステリシス抵抗の端子間の電位は、図２の曲線２１２によって表される状態遷移が生じる点までは上がらない。その時点で、そのＮＩＥＬは、入力値を受信する準備ができている。

図４Ａに示されるようにＮＩＥＬが入力値を受信する準備ができた後に、図４Ｂに示されるように、水平ナノワイヤ、又は入力／出力ナノワイヤ信号線に入力値を入力し、ＮＩＥＬに格納することができる。ナノスケールヒステリシス抵抗の正の電圧降下がＶ_closeを超えるように、水平ナノワイヤ４２２に正の電圧が印加されるとき、図２の線分２１２によって表される状態遷移が生じ、ヒステリシスナノスケールインピーダンスを強制的に閉じた状態４２４にする。水平ナノワイヤ４２６に低い電圧が印加されるか、又は電圧が印加されないとき、ナノスケールヒステリシス抵抗は開いた状態４２８のままである。言い換えると、ＮＩＥＬを入力受信状態にする垂直ナノワイヤに印加される負の電圧は十分に小さい絶対値を有し、ナノスケールヒステリシス抵抗にかかる負の電圧の絶対値を確実にＶ_closeの絶対値よりも小さい値であるが、水平ナノワイヤに相対的に高い電圧の論理入力信号４２２を印加することに起因して電位が上がる結果として、ナノスケールヒステリシス抵抗に印加される全電位がＶ_closeまで上昇するほど十分に大きい絶対値を有する。図４Ｃに示されるように、ＮＩＥＬは、入力値を受信する準備ができているときに、入力の正の電圧の論理状態「１」信号を閉じたスイッチ状態４３０として格納し、入力の無電圧の論理状態「０」信号を開いたスイッチ４３８として格納する。垂直ナノワイヤ４４２に０Ｖが印加されるとき、又は言い換えると、垂直ナノワイヤが強制的に接地されるとき、ＮＩＥＬに格納される論理状態が、水平ナノワイヤの電圧状態を支配することができる。閉じた状態４３２では、水平ナノワイヤ４０８に印加される電圧は、閉じたスイッチを通じて、グランドへの低インピーダンス経路を有し、一方、開いた状態４４０では、ＮＩＥＬ内にグランドへの低インピーダンス経路は存在しない。こうして、ＮＩＥＬ内のグランドへの低インピーダンス経路の存否の影響が、水平ナノワイヤの電圧状態に作用することがある。

要約すると、図４Ａに示されるように、ＮＩＥＬは、その初期インピーダンス状態に関係なく、最初に制御電圧入力に正の電圧を印加して、ＮＩＥＬを無条件に開き、その後、負の電圧を印加して、ラッチを入力受信状態にすることによって、入力を受信する準備ができる。図４Ｂに示されるように、入力受信状態では、高電圧入力信号によって、ナノスケールヒステリシス抵抗が強制的に閉じた状態に遷移し、一方、低電圧又は無電圧の信号を入力すると、ナノスケールヒステリシス抵抗は強制的に開いた状態のままにされる。以下に説明されるように、ＮＩＥＬのインピーダンス状態を用いて、そのＮＩＥＬが相互接続される後置ナノワイヤクロスバー論理デバイス内の信号線の電圧状態を支配することもできる。

［ラッチアレイ］
図５は、一連の１素子ＮＩＥＬによって実現される５素子ＮＩＥＬアレイを示す。図５では、５素子ＮＩＥＬアレイのための概略図５０２が、５素子ＮＩＥＬアレイのブロック図状の表現５０４に等価であることが示される。明確にするために、後続の図面では後者の表現が用いられる。上記のように、ナノスケールヒステリシス抵抗５０６、５０７及び５０８を含む、開いた状態のナノスケールヒステリシス抵抗は、論理値「１」５１０、５１１及び５１２を格納することを表すものとし、閉じた状態のナノスケールヒステリシス抵抗５１４、５１５は、論理値「０」５１６及び５１７を格納するものとしていることに留意されたい。垂直ナノワイヤ５１８は制御入力５２０に対応し、水平ナノワイヤ５２２〜５２６は、入力信号線５２８〜５３２及び出力信号線５３４〜５３８の両方に対応する。入力／出力信号線は、特定の時点において入力線として、又は出力線としてだけの役割を果たすことができ、それらの状態が入力であるか、出力であるかは、制御電圧入力５２０に印加される電圧、及びそれらの線が、図示されない付加的な回路要素によって駆動されるか否かによることに留意することが重要である。

［従来のダイオード−抵抗ロジック］
図６Ａ及び図６Ｂは、従来のダイオードロジックを用いて簡単な論理回路を実現するダイオード部品を含む簡単な、例示的なクロスバーの概略図、及びその論理回路の対応するブロック図状の表現を示す。ナノスケール回路の概略図６０２は、５本の入力信号線６０４〜６０８と、抵抗６１４〜６１６を通じてグランド６１８に相互接続される３本の出力信号線６１０〜６１２と、ダイオード６２６のようなダイオードを通じて入力信号線６０４〜６０８及び出力信号線６１０〜６１２と相互接続される４つの垂直ナノワイヤ６２０〜６２３とを示す。垂直ナノワイヤは、抵抗６２８〜６３１を介して、駆動電圧線６３２にも相互接続される。信号線と垂直ワイヤとの間にダイオードを選択的に挿入することによって、図６に示されるロジックが形成される。ダイオードを基にして、論理信号を反転するクロスバーを実装することは難しいので、各入力信号Ａ６０４及びＢ６０６はそれぞれ、相補入力信号(Ａバー）６０５及び(Ｂバー）６０７と対にされる。この仮想的な応用形態では相補信号は不要であるので、その仮想的な論理回路では、入力信号Ｃは、相補入力信号を与えられない。

ナノスケール回路６０２は従来どおりに動作し、それを理解するのは比較的容易である。図６の例において、且つ先行の例及び後続の例において、高電圧入力信号は論理状態「１」と呼ぶことにし、低電圧又は無電圧入力信号は論理状態「０」と呼ぶことにする。入力信号線Ａ及びＢがいずれもハイである、すなわち論理状態「１」であるとき、垂直線６２０は相対的に高い電圧状態を保持し、結果として、順方向バイアスをかけられたダイオード６３８を通じて、垂直線６２０が出力信号線６１０と相互接続され、出力信号線６１０上の電圧が上昇する。しかしながら、信号線Ａ６０４及びＢ６０６の一方又は両方が相対的に低い電圧、又は無電圧状態になる場合には、順方向バイアスをかけられたダイオード６３４及び６３６が、線６２０から入力信号線Ａ６０４及びＢ６０６の一方又は両方に電流が流れるための低インピーダンス経路を与える。後者の場合に、電源線６２０の電位は、入力信号線Ａ６０４及びＢ６０６の一方又は両方の相対的に低い電圧又は無電圧状態まで降下し、それゆえ、出力信号線６１０は接地される。出力信号線６１０が論理状態「１」になるためには、入力信号線Ａ及びＢはいずれも論理状態「１」でなければならないので、ナノスケール回路６０２は、信号線Ａ及びＢ上に入力される信号に応答して、出力信号線６１０上に論理状態Ａ∧Ｂを出力する。ナノスケール回路６０２内の残りのダイオード相互接続を同様に解析すると、出力信号線６１１が論理状態¬Ａ∨¬Ｂ又は¬（Ａ∧Ｂ）を表し、出力信号線６１２が、入力信号線Ｃ６０８への入力と同じ論理状態を出力することが明らかになる。

別法では、概略形式６０２において示されるナノスケール回路の機能は、図６Ｂに示されるように、ブロック図状の形式６４０で表すことができる。以下の説明では、図６Ａに示される従来の論理回路の機能が、図６Ｂに示される機能ブロックによって表されるナノワイヤクロスバーにおいて実現され、それは、前置ＮＩＥＬからのインピーダンス符号化入力を利用して、後置ＮＩＥＬに格納される論理状態を出力する。以下に説明されるナノワイヤクロスバーの機能は、図６Ａに示される従来の回路の機能と同じであるが、その実施態様が異なる。たとえば、グランド６１８への抵抗接続６１４〜６１６は、クロスバーにおいては不要であり、代わりにＮＩＥＬによって提供される。さらに重要なのは、図６Ａに示される従来の回路の場合のように、入力信号が電圧符号化されるのではなく、代わりに、前置ＮＩＥＬ内で符号化されるインピーダンスであることである。それゆえ、ＮＩＥＬを通じて相互接続されるナノワイヤクロスバーの縦続接続内のナノワイヤクロスバーは、新たなタイプの論理回路を表しており、その回路は、インピーダンス符号化された入力を演算して、後置ＮＩＥＬ内に論理状態を格納するために用いられるか、又は論理回路縦続からの最終的な電圧信号出力として用いられる、出力電圧信号を生成する。

［インピーダンス駆動ダイオードロジック］
本発明の種々の実施形態は、ＮＩＥＬと密接に関連付けられるＮＩＤＬＣを用いる。ＮＩＤＬＣは、先に説明された従来のダイオードロジックと同じようには動作しない。図７は、その入力を駆動する前置ＮＩＥＬアレイ７０２、及びその出力を取り込む後置ＮＩＥＬアレイ７０４に相互接続されるＮＩＤＬＣを示す。図７に示されるように、ＮＩＤＬＣ７００への入力は、前置ＮＩＥＬ７０２から駆動されるか、又は主に外部信号源から入力される場合には、電気的に等価なものから駆動される。クロスバーの上半分では、ＡＮＤゲートがダイオード７０６〜７０９及びプルアップ抵抗７１０〜７１２で実装され、下半分では、ＯＲゲートがダイオード７１４〜７１６で実装される。ＯＲゲート７１８及び７２０の出力は後置出力ラッチ７０４内に駆動される。ＮＩＤＬＣは、１つ又は複数の入力ＮＩＥＬ及び１つ又は複数の出力ＮＩＥＬと相互接続されることがある。

インピーダンス駆動ダイオードクロスバーロジックと従来のダイオードクロスバーロジックとの違いは、（１）従来のダイオードクロスバーロジックの場合のように高電圧又は低電圧によってではなく、インピーダンス駆動ダイオードクロスバーロジック内のグランドへの高インピーダンス（論理１）又は低インピーダンス（論理０）のいずれかの経路によって入力論理信号が表されること、及び（２）従来のダイオードロジックのプルダウン抵抗が明らかには存在しないが、実際には、出力ラッチそのものの内部インピーダンスによって与えられることを含む。図７の入力ラッチ７０２のような入力ラッチではなく、ダイオードロジックによって駆動される１つ又は複数の出力ラッチ７１８とともにＡＮＤ／ＯＲダイオードロジック７００が、一緒に１つのステージを構成する。１つのステージのための入力ラッチは多くの場合に、別の前置ステージのための出力ラッチであることに留意されたい。「１つのステージをクロック制御する」という言い回しは、入力信号を読み取り、ダイオードクロスバーロジック内の１つ又は複数の論理関数を計算し、その結果を出力ラッチ内にラッチするという３段階の過程を制御することを指している。クロック制御過程を制御することは、以下の３つのステップを含む。

（１）最初に、クロスバーと相互接続されるプルアップ抵抗におけるＶ_logic、並びに入力ラッチ及び出力ラッチにおけるＶ_latchを含む、その回路に印加される全ての電圧を０Ｖに設定する。したがって、その回路での電力損はなく、入力ラッチは出力モードになるように準備され、ダイオードロジックによって読み取るための準備ができている。

（２）次に、Ｖ_latchに十分に大きな正の電圧を印加することによって出力ラッチを無条件に開き、以前に閉じていた場合には、各クラッチを開く。その後、出力ラッチへのＶ_latch入力は０Ｖに戻される。

（３）次に、論理回路のＶ_logic入力に正の電圧を印加し、且つ出力ラッチのＶ_latch入力に負の電圧を印加し、その間、任意の入力ラッチのＶ_latch入力に０Ｖを印加し続ける。これにより、そのステージが、ＮＩＤＬＣ内に存在するダイオードによって暗示される論理関数を計算し、そのラッチに関連付けられる関数について計算された値が１と求められた場合には、各出力ラッチを閉じ、一方、その関数について計算された値が０である場合には、各出力ラッチを開いたままにする。入力が論理０であるときに、ラッチが反転して論理１を格納し、その逆もあることに留意されたい。

図８Ａ〜図８Ｃは、２つの１素子ＮＩＥＬ及び１つのＮＩＤＬＣを含む例示的なナノスケール回路を示す。図８Ａは、その回路の簡単な概略図であり、第１の１素子ＮＩＥＬ８０２と、合わせてＮＩＤＬＣを構成する、直列に接続されるＡＮＤゲート８０４及びＯＲゲート８０６と、第２の１素子ＮＩＥＬ８０８とを含む。図８Ｂは、図８Ａに示される簡単な回路の回路レベルの表現８１０を示す。図８Ｃは、第１のＮＩＥＬ８０２が格納された値を出力する準備ができており、且つ第２のＮＩＥＬ８０８が論理部品８０４及び８０６からの入力を受信する準備ができているものと仮定した場合の図８Ａ及び図８Ｂの回路と等価な回路図を示す。図８Ｂ及び図８Ｃでは、正の破壊電圧Ｖ_d ⁺及び負の破壊電圧Ｖ_d ^-はそれぞれ２．５Ｖ及び２．５Ｖであると仮定され、開電圧Ｖ_open及び閉電圧Ｖ_closeはそれぞれ−１．５Ｖ及び１．５Ｖであると仮定される。さらに、プルアップ抵抗８１２のインピーダンスは、第１のナノスケールヒステリシス抵抗８１４のインピーダンスと第２のナノスケールヒステリシス抵抗８１６のインピーダンスとの間の中間の値であると仮定される。各ダイオードの端子間での電圧降下は０．７ボルトであると仮定される。さらに、プルアップ抵抗８１２に印加される電圧は１．５ボルトであると仮定される。ダイオード８１８の端子間での電圧降下に起因して、点Ａ８２０における電圧は−０．７Ｖであり、ＮＩＤＬＣに駆動電圧が印加されるときに、ラッチが開かないようにする安全余裕を与える。最後に、ラッチ書込み電圧８２２は−１．０ボルトに設定され、第２のナノスケールヒステリシス抵抗８１６の端子間での最大電圧降下を２．５Ｖ−Ｖ_diodeにする。

２つの事例を考える必要がある。第１の事例では、第１のラッチ８０２が論理値「１」を含み、又は言い換えると、そのラッチが開いている。これは、抵抗８１２の端子間での電圧降下が非常に小さいことを意味し、点Ａ８２０及びＢ８２４の両方における電圧が１．５Ｖ−０．７Ｖ＝０．８Ｖであることを意味する。それゆえ、第２のナノスケールヒステリシス抵抗８１６の端子間において１．８Ｖの電圧降下が観測され、それはナノスケールヒステリシス抵抗の切替閾値を超えているが、破壊閾値より低い。それゆえ、第２のＮＩＥＬ８０８は強制的に閉じられる。第２の事例では、第１のＮＩＥＬ８０２が論理値「０」を含む。この第２の事例では、第１のナノスケールヒステリシス抵抗８１４の端子間での電圧降下はほとんどなく、全ての電圧が抵抗８１２及び２つのダイオード８１８及び８２４にかかる。それゆえ、点Ａ８２０及びＢ８２４の電圧が０．０であることを意味し、そのことから、第１のナノスケールヒステリシス抵抗８１４の端子間で電圧降下が生じないこと、及び第２のナノスケールヒステリシス抵抗８１６の端子間で１．０ボルトの電圧降下が生じることを意味する。第２のナノスケールヒステリシス抵抗８１６の端子間での電圧降下はＶ_open閾値より低く、第２のＮＩＥＬ８０８は閉じたままである。要約すると、図８Ａ及び図８Ｂに示される簡単な回路は、ナノスケールヒステリシス抵抗のための臨界電圧に対応する電圧範囲内で動作することができ、そのナノスケール電子回路は、ナノスケールヒステリシス抵抗の端子間で、それらのヒステリシス抵抗を不可逆的に破壊するほどの大きな電圧降下を引き起こすことなく動作することができる。

図９Ａ〜図９Ｅは、１クロスバー、２ラッチナノスケール電子回路の動作を示す。図９Ａに示されるナノスケール電子回路は、図５を参照して先に説明されたＮＩＥＬと同じ前置５素子ＮＩＥＬアレイ９０２と、図８Ａを参照して先に説明された従来の論理回路の論理機能を提供するＮＩＤＬＣ９０４と、図５を参照して先に説明されたＮＩＥＬに類似の後置３素子ＮＩＥＬ９０６とを組み合わせる。前置５素子ＮＩＥＬアレイ９０２の格納されているインピーダンス符号化された論理内容は入力としてＮＩＤＬＣ９０４に向けられ、ＮＩＤＬＣからの論理出力が、３素子ＮＩＥＬ９０６に向けられる。初期条件として、第１のＮＩＥＬは現在、論理値「１００１１」を格納し、第２のＮＩＥＬは現在、論理値「１０１」を格納する。図９Ｂ及び図９Ｃに示される一連のステップでは、ＮＩＥＬ９０２の５素子の現在の内容が、ＮＩＤＬＣ９０４の中に駆動され、結果として生成される出力が３素子ＮＩＥＬ９０６に格納される。その後、図９Ｄ及び図９Ｅに示される一連のステップでは、新たな入力値が５素子ＮＩＥＬアレイ９０２の中に駆動される。これらの一連のステップは、ナノスケール論理回路パイプライン又は状態機械において多数回繰り返すことができる。

図９Ｂに示されるように、最初のステップでは、前置５素子ＮＩＥＬアレイ９０２の制御電圧入力９０８が、ＮＩＤＬＣ９０４に入力される駆動電圧９１０と同様に、グランドに駆動される。５個の内部ラッチが無条件に開かれるように、後置３素子ＮＩＥＬ９０６の制御電圧入力９１２に十分に大きな正の電圧が印加される。したがって、後置５素子ＮＩＥＬアレイは、ＮＩＤＬＣから入力論理状態を受信する準備ができており、３素子ＮＩＥＬの以前のインピーダンス符号化された内容はクリアされる。次に、図９Ｃに示されるステップでは、ＮＩＤＬＣ９０４に正の駆動電圧、すなわちＶ_logicが印加され９１０、３素子ＮＩＥＬ９０６の制御電圧入力９１２に負の電圧が印加される。この結果として、インピーダンス符号化された論理状態が前置ＮＩＥＬ９０２の５素子からＮＩＤＬＣ９０４に入力され、それにより、後置３素子ＮＩＥＬ９０６内の内部ラッチのインピーダンス状態を設定する出力電圧回路が作り出される。

次に、図９Ｄに示されるステップでは、後置３素子ＮＩＥＬ９０６のための制御電圧入力９１２が、ＮＩＤＬＣ９０４のための駆動電圧入力９１０と同様に、グランドに駆動される。前置５素子ラッチ９０２の制御電圧入力９０８に正の電圧が印加され、前置５素子ＮＩＥＬアレイの内容がクリアされる。図９Ｅに示される最後のステップでは、前置５素子ＮＩＥＬアレイ９０２の制御電圧入力９０８に負の電圧が印加され、前置５素子ＮＩＥＬアレイが、新たな入力論理信号「０１０１０」を受信できるようにする。この時点で、図９Ｂ及び図９Ｃに示されるステップを繰り返して、３素子ＮＩＥＬアレイ９０６に第２の論理値を入力することができる。

ＮＩＥＬ電圧を操作する結果として、その電圧状態がＮＩＥＬによって支配される下流の信号線の論理状態が、ラッチのインピーダンス状態を設定するために用いられる信号線の論理状態に対して反転されることに留意することが重要である。図４Ｂ及び図４Ｃから明らかなように、相対的に高い電圧の入力信号を用いて、ＮＩＥＬが閉じた低インピーダンス状態に設定され、一方、低インピーダンスの閉じた状態は、後置ナノワイヤクロスバーが起動されＮＩＥＬの制御電圧入力が強制的に接地されるときに、後置相互接続される信号線をグランドに引き込むための役割を果たす。逆に、ＮＩＥＬが入力信号受信状態に入れられるときに、そのＮＩＥＬに入力される低電圧又はグランドレベル信号は、ＮＩＥＬを開いた高インピーダンス状態のままにし、一方、高インピーダンスの開いた状態は、後置ナノワイヤクロスバーが起動されるときに、後置相互接続される信号線の電圧状態に作用しない。それゆえ、ＮＩＥＬが論理状態記憶デバイスと見なされるとき、論理「１」信号の入力を介して格納される論理状態は、ＮＩＥＬから論理「０」状態として読み出され、論理「０」信号の入力を介して格納される論理状態は、ＮＩＥＬから論理「１」状態として読み出される。

また、縦続接続される論理回路と直列に接続される、論理状態をインピーダンス状態として符号化するＮＩＥＬを用いることにより、各論理回路が、前置論理回路から出力される電圧余裕とは個別に入力される論理電圧によって駆動されるので、縦続接続される論理回路を通じて累積される電圧余裕の劣化を改善するという所望の効果がもらされる。言い換えると、縦続接続される論理回路を通じて電圧余裕の劣化が累積されるのではなく、その縦続全体として、その縦続接続内の最後の論理回路に起因する電圧余裕の圧縮だけが観測される。入力電圧余裕は、縦続接続内の各論理回路に印加される。

以下に説明されるように、論理状態を種々の異なる態様でともに接続して、複雑な論理回路を形成することができる。そのような回路では、ＮＩＥＬアレイは、前置ナノスケールクロスバー及び後置ナノスケールクロスバーと相互接続されるものと見なすことができる。図９Ｃの第１のＮＩＥＬアレイ９０２の場合のように、そのＮＩＥＬアレイの制御電圧入力が強制的に接地され、前置ナノスケールクロスバーのＶ_logic入力が強制的に接地され、さらに、後置ナノスケールクロスバーのＶ_logic入力に正の電圧が印加されるとき、そのＮＩＥＬアレイの入力／出力信号線は出力モードにある。図９Ｃの第２のＮＩＥＬアレイ９０２の場合のように、ラッチが開いた状態にある場合に、ＮＩＥＬの制御電圧入力に負の電圧が印加され、前置ナノスケールクロスバーのＶ_logic入力に正の電圧が印加され、後置ナノスケールクロスバーのＶ_logic入力が強制的に接地されるとき、そのＮＩＥＬアレイの入力／出力信号線は入力モードにある。言い換えると、ＮＩＥＬアレイを通じて１つの方向に情報を伝搬するために、ラッチへの制御電圧入力、並びに前置ナノスケールクロスバー及び後置ナノスケールクロスバーへのＶ_logic入力はいずれも、同期してクロック制御されなければならない。図５に示されるＮＩＥＬアレイのようなＮＩＥＬを含むナノスケール電子回路を、図２を参照して説明された印加電圧範囲内で動作させることに注意を払わなければならない。

［パイプライン］
図１０Ａ及び図１０Ｂは、ナノスケールラッチによって容易にされる数多くの異なる相互接続トポロジのうちの２つを示す。図１０Ａはパイプラインを示しており、それはＮＩＥＬによって容易にされる数多くの異なる相互接続トポロジのうちの１つである。上記のように、そのパイプラインは、第１のクロックサイクルにおいて奇数ラッチから論理値が読み出されて偶数ラッチに入力され、且つ、後続の第２のクロックサイクルにおいて偶数ラッチから値が読み出されて奇数ラッチに入力されるように、クロック制御することができる。２クロックサイクル後に、第１のＮＩＤＬＣによって論理値が変換され、介在するラッチ内に格納され、第３のラッチ内に格納するために第２のＮＩＤＬＣによって変換される。そのパイプラインによれば、単一の大規模な論理デバイスでは実現することが難しいか、又は不可能である複雑なロジックを実現するために、多数の小さなＮＩＤＬＣを直列に組み合わせることができるようになる。

［パイプライン動作］
図１１Ａ〜図１１Ｄは、本発明の一実施形態を表す、ＮＩＥＬを用いることによってＮＩＤＬＣをさらに複雑にするための手法を示す。図１１Ａでは、４つの異なるＮＩＤＬＣ１１０２〜１１０５が３つのＮＩＥＬ１１０６〜１１０８を通じて相互接続され、４つの異なるＮＩＤＬＣによって表される論理演算を縦続接続しており、図１１Ｂ〜図１１Ｄでも同じ図示規則を用いる。これらの４つのＮＩＤＬＣは合わせて１つの論理機能を実現しており、その論理機能は、個々のクロスバーのそれぞれによって生成される論理機能のいずれか１つよりも複雑である。ただし、これは、所望の（全体的な）機能を一連の単純な論理ステージに分割することによって達成される。４つの個々のナノワイヤクロスバーは、製造及び使用するのを容易にするサイズであるが、所望の全体的な機能をただつ１の論理ステージにおいて実現する場合に必要とされるナノワイヤクロスバーサイズよりも小さい。直に相互接続すると、許容できない信号劣化が生じることになるので、４つのナノワイヤクロスバーは直に相互接続することはできない（或るステージの出力が次のステージの入力を駆動することはできない）。図１１Ａ〜図１１Ｄの例では、ＮＩＥＬ１１０６のような各ＮＩＥＬは、４つの異なるブール論理値１１１０〜１１１３を格納するための４つの素子を含む。

３つのＮＩＥＬを通じて相互接続される４つの縦続接続されるナノワイヤクロスバーの動作が図１１Ｂ〜図１１Ｄに示される。最初に、入力信号１１１６及び論理電圧１１１８が第１のナノワイヤクロスバー１１０２に加えられ、論理値「１００１」として第１のＮＩＥＬ１１０６に格納される出力信号１１２０を生成する。ただし、図２を参照して以下に記述されるように、そのＮＩＥＬは、正の閉電圧Ｖ_close（先に参照された）を印加し、その後、開電圧Ｖ_openよりも小さな負の値の電圧を印加することによって、出力信号を受信する準備ができている。後に説明されるように、このステップにおいて、入力信号及び論理電圧は、ナノワイヤクロスバー１１０４にも加えられるが、意味のあるデータが未だラッチ１１０７に伝搬していないので、これらの動作は図１１Ｂには示されない。次に、図１１Ｃに示されるように、第１のＮＩＥＬ１１０６に格納された論理値を、入力論理電圧１１２４によって起動される第２のナノワイヤクロスバー１１０３への入力１１２２として用いて、第２のＮＩＥＬ１１０７に格納される第２の出力信号１１２６が生成される。このステップでは、ＮＩＥＬ１１０６に読出し電圧が印加され、ＮＩＥＬは、Ｖ_closeを印加し、その後、開電圧Ｖ_openよりも小さな負の値の電圧を印加することによって、ナノワイヤクロスバー１１０３から出力される信号を受信する準備ができている。ここでも、このステップにおいて、ナノワイヤクロスバー１１０５に対して類似の動作が行われるが、ラッチ１１０８が未だ意味のあるデータを含んでいないので、図１１Ｃには示されない。次に、図１１Ｄに示されるように、第２のＮＩＥＬ１１０７に格納されている論理値を、入力論理電圧１１３０によって起動される第３のナノワイヤクロスバー１１０４への入力１１２８として用いて、第３のＮＩＥＬ１１０８に格納される第３の出力信号１１３２が生成される。同時に、第１のナノワイヤクロスバー１１０２に、入力論理電圧１１１８とともに、新たな入力信号１１３４が加えられ、第１のＮＩＥＬ１１０６の中に駆動される新たな出力信号１１３６が生成される。ここでも、上記のように、それらのラッチも出力及び入力するための準備ができている。一連の図１１Ｂ〜図１１Ｄの各図は１クロックサイクルを表すことができる。１クロックサイクルにおいて、読出し電圧が印加される前置ＮＩＥＬから入力信号を受信するために、奇数番号のナノワイヤクロスバーが起動され、後置ＮＩＥＬに格納される出力信号が生成される。ただし、後置ＮＩＥＬは、Ｖ_closeを印加し、その後、開電圧Ｖ_openよりも小さな負の値の電圧を印加することによって出力信号を受信する準備ができている。後続のクロックサイクルでは、偶数番号のナノワイヤクロスバーが起動され、先行するクロックサイクル中に前置ＮＩＥＬに格納されている入力信号を受信して後置ＮＩＥＬに格納される論理信号を出力する。こうして、各ナノワイヤクロスバー及びＮＩＥＬがクロック制御されて、縦続接続されたロジックに沿って１つの方向に計算された値の流れが生成される。他のタイプの相互接続トポロジを用いて、状態機械並びにパイプライン及び状態機械から派生する任意の複雑な論理回路を作り出すことができる。

［状態機械］
図１０Ｂは、簡単な２ラッチ状態機械を示す。状態機械は、論理回路を通じて互いに相互接続される、多数の論理値保持ラッチを含む。状態機械がクロック制御されるとき、ラッチに格納される値が確定的に変化する。パイプライン及び状態機械の組み合わせが、任意の所望の論理回路を形成することができる。

［状態機械の実施例］
図１２は、ＮＩＤＬＣ及びＮＩＥＬで実現される例示的な２ビットカウンタ状態機械の概略図を示す。図１２に示される２ビットカウンタ状態機械１２００は、入力信号線Ｒ１２０２及びその相補的な信号線１２０４と、第１の４素子ラッチ１２０６と、第１のＮＩＤＬＣ１２１０及び第２のＮＩＤＬＣ１２１２によって相互接続される第２の４素子ＮＩＥＬ１２０８とを含む。

［例示的な状態機械の動作］
図１３Ａ〜図１３Ｊは、図１２に示されるナノスケール状態機械の動作を示す。図１３Ａは、図１２に示されるナノスケール状態機械のブロック図状の表現を示す。そのブロック図状の表現は、Ｒ１２０２及び相補的な（Ｒバー）１２０４入力信号線と、第１のＮＩＤＬＣ１２１０と、第２のＮＩＤＬＣ１２１２と、第１のラッチ１２０６と、第２のラッチ１２０８とを示す。第１のラッチ１２１４及び第２のラッチ１２１６のための入力制御電圧経路が示される。第１のＮＩＤＬＣ１２１０及び第２のＮＩＤＬＣ１２１２のための論理電圧入力１２１８及び１２２０が示される。図１３Ａ〜図１３Ｊでは、論理回路出力信号及び論理回路入力信号のためのブール式が明示されており、それらの式は図１２に示されるダイオードロジックに対応する。上記式のように、それらのラッチは、各ＮＩＥＬへの入力、及び各ＮＩＥＬからの出力のための式を反転することによって、図１３Ａ〜図１３Ｊに示される出力上で格納される論理値を反転することに留意されたい。２ビットカウンタの２つのビットは、ビット０１２２２及びその相補的なビット１２２４、並びにビット１１２２６及びその相補的なビット１２２８を含む。その状態機械は、１０進数の「０」、「１」、「２」及び「３」に対応する２ビット２進数値「００」、「０１」、「１０」及び「１１」の中で繰返しカウントするために、２つのビット「ｂ０」及び「ｂ１」の値を変更するように動作する。入力信号Ｒ１２０２は、ハイであるときに、状態機械をリセットする役割を果たす。図６Ａ〜図６Ｃ及び図９Ａ〜図９Ｅを参照して先に説明されたように、ＮＩＥＬに入力される論理状態は、ＮＩＥＬから読み出されるときに反転される。こうして、図１３Ａでは、第１のＮＩＥＬ１２０６は、一番上の内部ラッチから一番下の内部ラッチまで降順に、論理状態ｂ０、¬ｂ０、ｂ１及び¬ｂ１を受信して格納するが、一番上の内部ラッチから一番下の内部ラッチまで降順に、論理状態¬ｂ０、ｂ０、¬ｂ１及びｂ１に対応するインピーダンス状態を出力する。

図１３Ｂ〜図１３Ｄは、図１２及び図１３Ａに示される２ビットカウンタナノスケール状態機械のリセットを示す。最初に、第２のラッチ１２０８内の値は未知であり、第１のラッチ１２０６は、上記のように、制御電圧入力１２１４に正の電圧を印加することによってクリアされる。このラッチクリアステップは、図１３Ｃ〜図１３Ｊの後続の一連のステップでは示されないことに留意されたい。

次に、図１３Ｃでは、第１のＮＩＤＬＣ１２１０の駆動電圧入力１２１８に論理電圧が供給され、第１のラッチ１２０６の制御電圧入力１２１４に負の電圧が印加され、第２のＮＩＤＬＣ１２１２の駆動電圧入力１２２０と同様に、第２のラッチ１２０８の制御電圧入力がグランドに駆動されるのと同時に、入力Ｒ１２０２への電位として、論理値「１」が印加される。この結果として、入力Ｒとともに、第２のラッチ１２０８に格納される全ての値が第１のＮＩＤＬＣ１２１０に入力されて、第１のラッチ１２０６に出力され、その中に格納されるブール値「０１０１」が生成される。論理値「０１０１」は、第１のＮＩＤＬＣ１２１０の出力を表すブール式から容易に導出することができる。一例として、信号Ｒに対する相補信号（Ｒバー）がハイであり、ブール論理式¬（Ｒ∨ｂ０）が強制的にブール値「０」になるので、出力ｂ０１２３０はローである。

次に、図１３Ｄに示されるステップでは、入力制御電圧が反転されて、第１のラッチ１２０６から反転された論理状態が検索され、反転された論理状態「１０１０」が第２のラッチ１２０８にコピーされる。第１のラッチ１２０６に格納される２進数の数値は、その時点で「０」であることに留意されたい。この時点で、リセットが完了する。

図１３Ｅ〜図１３Ｊは、第１のラッチに数値「１」、「２」及び「３」を入れるための状態機械の動作を示しており、後続のサイクルが、第１のラッチに格納されるそのサイクルの最初の値として数値「０」を用いて、さらに繰返しカウントを開始する。図１３Ｅ及び後続の図面では、ブール値「０」が、低電圧又は無電圧として信号線Ｒ１２０２に入力される。第１のＮＩＤＬＣ１２１０が起動されて、第２のラッチ１２０８に格納されている値が第１のＮＩＤＬＣに入力され、第１のラッチ１２０６に値が出力される。第１のラッチに格納される、結果として生成される値は数値「１」である。図１３Ｆに示されるように、第２のサイクルは、第１のラッチの内容を第２のラッチに移し、第２のラッチからの値を第１のＮＩＤＬＣ１２１０に入力し戻して、数値「２」を生成する。図１３Ｈに示されるように、後続のサイクルは、その内容を第１のラッチから第２のラッチに移し、それらの値を第１のＮＩＤＬＣ１２１０に入力し戻して、図１３Ｉに示されるように、第１のラッチ１２０６に格納される値「３」を生成する。最後に、図１３Ｊに示されるように、数値「３」を反転された形で第２のラッチ１２０８に移すために、制御電圧入力が反転される。図１３Ｊに示される状態は、次のステップにおいて、その時点で値「３」を格納している第１のラッチ１２０６に値「０」を入れて、状態機械を準備して、カウントサイクルをもう一度開始する。

本発明は特定の実施形態に関して記述されてきたが、本発明がこの実施形態に限定されることは意図していない。本発明の精神の中にある変更が、当業者には明らかであろう。異なる分子接合型のヒステリシス抵抗は、異なる電流／電圧曲線を示すことがあり、これまでに説明されたものとは異なる極性及び絶対値の電圧を印加するのに応答して、開くことも、閉じることもある。上記のように、ＮＩＥＬ及びＮＩＤＬＣから任意の複雑な回路を製造することができる。

これまでの記述では、本発明を完全に理解してもらうために、説明の便宜上、特定の用語が用いられてきた。しかしながら、本発明を実施するために、具体的な細部が不要であることは当業者には明らかであろう。本発明の具体的な実施形態のこれまでの説明は、例示及び説明するために提示された。それらの実施形態は、本発明を包括的に述べることや、開示されるのと全く同じ形態に限定することは意図していない。上記の教示に鑑みて、数多くの変更及び変形が可能であることは明らかである。それらの実施形態は、本発明の原理及びその実用的な応用形態を最もわかりやすく説明し、それにより、当業者が、考えている特定の用途に相応しいように種々の変更を加えて本発明及び種々の実施形態を最も有効に利用できるようにするために図示及び記述される。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって規定されることが意図されている。

簡単な汎用ナノワイヤクロスバーを示す図である。簡単な汎用ナノワイヤクロスバーを示す図である。簡単な汎用ナノワイヤクロスバーを示す図である。２つのナノワイヤを相互接続するナノワイヤ接合部に形成することができるナノスケールヒステリシス抵抗の電子工学的な挙動を示す図である。ナノスケールラッチを実現するために、本発明の種々の実施形態においてヒステリシス抵抗がいかに用いられるかを示す図である。ナノスケールヒステリシス抵抗の１素子ナノスケールラッチとしての使用を示す図である。ナノスケールヒステリシス抵抗の１素子ナノスケールラッチとしての使用を示す図である。ナノスケールヒステリシス抵抗の１素子ナノスケールラッチとしての使用を示す図である。一連の１素子ナノスケールラッチによって実装される５素子ナノスケールラッチを示す図である。簡単な論理回路を実現するダイオード部品を含む簡単な、例示的なナノワイヤクロスバーの概略図である。図６Ａの論理回路の対応するブロック図である。前置インピーダンス符号化ナノスケールラッチアレイ及び後置インピーダンス符号化ナノスケールラッチアレイに相互接続されるインピーダンス駆動ナノスケールダイオード論理回路を示す図である。本発明のインピーダンス駆動ダイオードロジックを利用して最も簡単に実現することができる論理回路を説明するための図である。本発明のインピーダンス駆動ダイオードロジックを利用して最も簡単に実現することができる論理回路を説明するための図である。本発明のインピーダンス駆動ダイオードロジックを利用して最も簡単に実現することができる論理回路を説明するための図である。１ロジック回路、２ラッチのナノスケール電子回路の動作を示す図である。１ロジック回路、２ラッチのナノスケール電子回路の動作を示す図である。１ロジック回路、２ラッチのナノスケール電子回路の動作を示す図である。１ロジック回路、２ラッチのナノスケール電子回路の動作を示す図である。１ロジック回路、２ラッチのナノスケール電子回路の動作を示す図である。ナノスケールラッチによって容易にされる数多くの異なる相互接続トポロジの１つを示す図である。ナノスケールラッチによって容易にされる数多くの異なる相互接続トポロジの１つを示す図である。本発明の一実施形態を示す、ナノスケールインピーダンス符号化ラッチを用いることによってナノスケールインピーダンス駆動論理回路を複雑にするための手法を示す図である。本発明の一実施形態を示す、ナノスケールインピーダンス符号化ラッチを用いることによってナノスケールインピーダンス駆動論理回路を複雑にするための手法を示す図である。本発明の一実施形態を示す、ナノスケールインピーダンス符号化ラッチを用いることによってナノスケールインピーダンス駆動論理回路を複雑にするための手法を示す図である。本発明の一実施形態を示す、ナノスケールインピーダンス符号化ラッチを用いることによってナノスケールインピーダンス駆動論理回路を複雑にするための手法を示す図である。インピーダンス駆動ナノワイヤクロスバーダイオード論理回路及びインピーダンス符号化ナノスケールラッチで実現される例示的な状態機械の概略図である。図１２に示されるナノスケール状態機械の動作を示す図である。図１２に示されるナノスケール状態機械の動作を示す図である。図１２に示されるナノスケール状態機械の動作を示す図である。図１２に示されるナノスケール状態機械の動作を示す図である。図１２に示されるナノスケール状態機械の動作を示す図である。図１２に示されるナノスケール状態機械の動作を示す図である。図１２に示されるナノスケール状態機械の動作を示す図である。図１２に示されるナノスケール状態機械の動作を示す図である。図１２に示されるナノスケール状態機械の動作を示す図である。図１２に示されるナノスケール状態機械の動作を示す図である。

Claims

論理値を格納するナノスケールラッチであって、
グランドと、
ナノスケール制御電圧入力線と、
ナノスケール入力／出力信号線と、
前記制御電圧入力線と前記入力／出力信号線とを相互接続するナノスケールヒステリシス抵抗であって、低インピーダンスの閉じた状態にあるときに第１の論理値を表し、高インピーダンスの開いた状態にあるときに第２の論理値を表す、ナノスケールヒステリシス抵抗と、
前記入力／出力信号線と前記グランドとを相互接続し、前記ラッチが非破壊的に無条件に前記開いた状態になることができるようにするナノスケールダイオードと
を備えることを特徴とする、論理値を格納するナノスケールラッチ。
多数の付加的なナノスケール入力／出力信号線をさらに備え、各付加的な入力／出力信号線は、論理値を格納する別個のナノスケールヒステリシス抵抗によって前記ナノスケール制御電圧入力線と相互接続され、且つナノスケールダイオードにより前記グランドと相互接続されることを特徴とする、請求項１に記載の論理値を格納するナノスケールラッチ。
前記ナノスケール制御電圧入力線に、絶対値が閾値電圧Ｖ ₀ よりも大きな第１の極性の電圧を印加することによって、前記ナノスケールラッチを、開いた高ピンピーダンス状態にし、
前記ナノスケール制御電圧入力線に、絶対値が閾値電圧Ｖ _c よりも大きな第２の極性の電圧を印加することによって、前記ナノスケールラッチを、閉じた低ピンピーダンス状態にすることを特徴とする、請求項１に記載の論理値を格納するナノスケールラッチ。
前記制御電圧入力線に絶対値がＶ ₀ 以上の前記第１の極性の電圧を印加して、前記ナノスケールラッチを開いた状態にすること、
前記ナノスケール制御電圧信号線に絶対値がＶ _c より小さい前記第２の極性の電圧を印加して、前記ナノスケールラッチを前記開いた状態のままにしておくこと、及び
前記ナノスケール入力／出力信号線に前記第１の極性の電圧を有する論理信号を入力し、
前記論理信号の前記電圧を前記ナノスケール制御電圧線に印加された前記電圧と組み合わせて、絶対値がＶ _c 以上の合成された電圧を生成するときに、前記ナノスケールラッチを前記閉じた状態に設定し、
前記ナノスケール制御電圧線に印加された前記電圧と組み合わせられた前記論理信号の前記電圧が、絶対値がＶ _c 以上の合成された電圧を生成し損なうときに、前記ナノスケールラッチを前記開いた状態のままにしておくことによって、
論理値が前記ナノスケール入力／出力信号線に入力され、前記ナノスケールラッチ内に格納されることを特徴とする、請求項３に記載の論理値を格納するナノスケールラッチ。
前記ナノスケール制御電圧信号線を強制的に前記グランドに接地すること、及び
バイアスをかけられていないダイオードを用いること等の分離技法を通じて、前記入力／出力線上の駆動電圧を切断し、前記印加される電圧が、前記ナノスケールラッチ内の低インピーダンス経路を通じて前記グランドに引き込まれるか否かを判定すること
によって、論理値が前記ナノスケールラッチから読み出されることを特徴とする、請求項３に記載の論理値を格納するナノスケールラッチ。
インピーダンス符号化ナノスケール論理回路であって、
ナノスケールラッチであって、グランドと、ナノスケール制御電圧入力線と、ナノスケール入力／出力信号線と、前記制御電圧入力線と前記入力／出力信号線とを相互接続するナノスケールヒステリシス抵抗であって、低インピーダンスの閉じた状態にあるときに第１の論理値を表し、高インピーダンスの開いた状態にあるときに第２の論理値を表す、ナノスケールヒステリシス抵抗と、前記入力／出力信号線とグランドとを相互接続し、前記ラッチが非破壊的に無条件に前記開いた状態になることができるようにするナノスケールダイオードとを備える、ナノスケールラッチと、
論理電圧入力と、論理状態を前記ナノスケールラッチに格納するために該ナノスケールラッチの前記ナノスケール入力／出力信号線と相互接続される出力信号線とを有する前置ナノワイヤクロスバーと、
論理電圧入力と、前記ナノスケールラッチからインピーダンス符号化された論理状態を読み出すために該ナノスケールラッチの前記ナノスケール入力／出力信号線と相互接続される入力信号線とを有する後置ナノワイヤクロスバーと
を備えることを特徴とする、インピーダンス符号化ナノスケール論理回路。
パイプライン、複雑な論理回路、及び状態機械
のうちの１つを形成するために互いに相互接続されることを特徴とする、多数の請求項６に記載のインピーダンス符号化ナノスケール論理回路。
前記ナノスケールラッチの前記制御電圧入力線に電圧を印加して、該ナノスケールラッチを入力受信状態にしながら、前記前置ナノワイヤクロスバー及び前記後置ナノワイヤクロスバーの前記論理電圧入力を強制的に前記グランドに接地すること、
前記前置ナノワイヤクロスバーの前記論理電圧入力に電圧を印加すること、並びに
前記ナノスケールラッチの前記制御電圧入力線に電圧を印加すること
によって、論理値が前記ナノスケールラッチに入力されて格納されることを特徴とする、請求項６に記載のインピーダンス符号化ナノスケール論理回路。
前記ナノスケールラッチの前記制御電圧入力線を強制的に前記グランドに接地すること、前記後置ナノワイヤクロスバーの前記論理電圧入力に電圧を印加すること、及び、前記前置ナノワイヤクロスバーの前記論理電圧入力を強制的に前記グランドに接地することによって、前記ナノスケールラッチから論理値が読み出され、該ナノスケールラッチが低インピーダンス状態にあるときに、前記ナノスケール入力／出力信号線は該ナノスケールラッチを通じて前記グランドに接地されることを特徴とする、請求項６に記載のインピーダンス符号化ナノスケール論理回路。