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关键词： DNA纳米技术   DNA计算   非线性信号调控   三进制逻辑电路  

摘要： DNA纳米技术利用DNA分子的特性,通过其可编程性和可预测性来设计和构建纳米尺度的结构和器件,其融合了物理学、化学、生物学、数学、工程学和材料科学,为构建复杂的纳米结构、实现分子尺度的逻辑运算和构建智能材料提供了新的方法。DNA链置换反应为动态DNA技术奠定了基础,推动了DNA计算领域研究的发展。通过DNA计算实现了自动机、逻辑电路、决策机、神经网络和集成电路等诸多功能。相比于电子计算机,DNA逻辑运算器件利用核酸序列或生化刺激作为输入信号,产生光学或电化学输出。然而,二进制逻辑的局限性在处理复杂信息时显现,三进制逻辑作为一种扩展,不仅提供了更多逻辑功能还具有向下兼容二进制逻辑的能力,有望成为高密度DNA计算系统的替代品。 为此,本文研发了以DNA计算为基础的三进制逻辑运算体系,具体内容如下: (1)通过设计具有不同toehold域长度的DNA开关,实现了非线性信号调控。本研究发现,使用15-nt和5-nt的toehold域组合能够成功构建非线性调节的DNA开关,并进一步通过实验验证了其非线性信号调节的特性。在此基础上,探索了更长的toehold域(30-nt和15-nt)对开关性能的影响,并确认这种组合同样能够成功构建非线性调节的DNA开关。创新性地模拟了生物体中的双向调控过程,通过并联使用不同toehold域组合的DNA开关,构建了一个能够响应高中低三种不同浓度信号的电路,并成功模拟了生物体中的双向调控作用。 (2)提出了一种新的以不同DNA序列浓度作为输入/输出信号的三值DNA逻辑门系统。利用基于toehold介导的链置换反应当中,暴露的toehold部分的长短对反应中热力学稳定性和反应动力学的差异,构建出带有阈值控制作用的浓度响应开关。并扩展该开关对高中低三种不同浓度的信号差异化响应功能,以此实现对指定浓度范围内信号的响应。进一步将识别不同浓度信号的开关作为浓度传感器,两个响应不同DNA序列浓度的传感器组合在一起,可以构建出一个拥有二输入的逻辑门输入端。再加上对来自传感器的中间信号分别进行逻辑判断并产生对应输出信号的开关作为逻辑门部分,就得到一个完整的二输入三值逻辑门。整个三值逻辑门中,浓度传感器具有YES和NOT两种配置、而且逻辑门部分也有AND和OR两种逻辑判断方式,自由地调整传感器和逻辑门的组合方式,就可以得到包括and、or、not、nand、nor逻辑在内的诸多三值逻辑判断结果。又通过二进制判断与三进制判断两种模式相结合,构建了针对KRAS-G12D和mi RNA-21两种癌症标志物的检测系统用于癌症的分期检查。 综上所述,本文旨在通过非线性信号调控的DNA开关构建了具有多种功能DNA计算体系,进而模拟生命活动的调节过程,实现了癌症标志物的检测,展现了在合成生物学与疾病筛查等方面的应用前景,也能极大地拓宽DNA计算的应用范围。

关键词： 带隙基准   热载流子注入效应   曲率补偿   退化   自愈  

摘要： 随着晶体管集成度的提高,集成电路对带隙基准电路输出的基准电压稳定性提出了更高的要求。同时,由于晶体管在尺寸缩小的同时其电源电压并不减小,从而使其内电场增强。并且晶体管工艺节点的降低使其沟道长度和栅极氧化层厚度减小,进而产生各种可靠性问题,最终使电路性能发生退化。其中,热载流子注入效应是NMOS管中影响器件可靠性的重要因素,HCI效应将会使长时间使用的NMOS管阈值电压、跨导、漏-源电流、迁移率等发生退化,进而影响电路的性能。在此背景下,对带隙基准在HCI效应下性能退化及自愈电路的研究具有重大意义。 本论文基于65nm CMOS工艺实现了一种高精度的带曲率补偿的带隙基准电路。在1.2V的电源电压以及-40～125℃的温度范围内,该带隙基准电路的温度系数达到1.949ppm/℃。并且使用了一种65nm NMOS管的混合型HCI效应等效电路模型对基准电路中的NMOS管进行替换,以此来研究HCI效应对该带隙基准电路的性能影响。该等效电路模型提供5个可调参数,包括了沟道宽度(W)、沟道长度(L)、环境温度(Temp)、应力时间(年)、工艺角(快、慢、典型)。之后,将带曲率补偿的带隙基准电路中所有的NMOS管进行替换后,对该基准电路在不同应力时间下的性能进行了仿真。仿真结果表明,在HCI效应下,50年后该带隙基准电路的温度系数退化到8.033ppm/℃,且基准电压减小了0.43m V。研究发现在HCI效应下,带隙基准电路中运放的增益会随应力时间的推移而减小,导致电路中正、负温度系数的电流随应力时间的推移略微降低,进而导致其输出的基准电压降低;并且曲率补偿电路中产生的补偿电流也随应力时间的推移而减小,导致其补偿效果变差,从而使基准电压的温度系数增大。 本论文设计了一种自愈电路用于缓解HCI效应对高精度的带隙基准电路的性能影响。该自愈电路提供随应力时间增大的电流缓解了基准电压随应力时间的退化,并且该自愈电路优化了曲率补偿电路中MOS管的偏置方式缓解了其补偿电流随应力时间的退化情况。经过仿真,在HCI效应下,使用自愈电路后该带隙基准电路50年后的温度系数为3.934ppm/℃,输出电压值仅减小了0.093m V,验证了该自愈电路的有效性。此外,使用该自愈电路仿真了不同工艺角下的带曲率补偿的带隙基准电路,其仿真结果表明,自愈电路在不同工艺角下都能对HCI效应导致的基准电路的性能退化进行缓解。

关键词： PLZT-Sb陶瓷   多源能量收集器   自适应能量收集   静电斥力开关   状态识别电路  

摘要： 随着无线传感器节点数量的迅速增长,能源供给问题日益凸显。传统的电池供电方式正逐渐被环境能源所替代,现有的多源能量采集器通常通过组合多种能量采集器来实现多形式能量的收集,面对组合的多源能量收集器所使用的能量收集电路有结构复杂及高功耗等问题。因此,对于本文使用基于PLZT-Sb铁电陶瓷材料的多源能量采集器具有大内阻、高电压和低电流的问题,提出了一种基于共享电感系统的多源能量收集电路。 本文通过分析多源能量采集器在不同激励条件下的输出特性,构建了相应的等效电学模型,并通过实验进行验证与参数修正。基于电学模型,提出了一种多源能量收集电路,以适应能量采集器具有的高电压、大内阻、低电流特性。最后,通过实验验证所提出的电路的可行性和有效性。论文的主要研究工作如下: (1)分析了多源能量采集器在不同激励条件下的输出特性,并建立相应的电学模型。研究发现,与振动激励下能量采集器的输出相比,单独光照激励下的输出具有较大的差异性,光照激励下的输出电压可达到数千伏特,而电流仅在纳安培范围,内阻高达几百吉欧(GΩ)。相比之下,当光照和振动共同激励时,能量采集器能够产生数千伏特的直流电压和几百纳安培的交流电流,此时的内阻与仅振动激励时相近,大约为几百兆欧(MΩ)。此外,通过对比实验数据和仿真结果,验证了所构建电学模型的有效性。 (2)针对多源能量采集器输出超高电压、低电流、超大内阻的特点,本文提出了合适的能量采集电路。该电路包括基于静电斥力开关的整流电路、状态识别电路及对应的MPPT/阻抗匹配的能量采集电路。分别利用开路电压法、有源/无源能量收集电路、阻抗匹配电路收集光照激励、振动激励以及光照和振动共同激励下能量采集器产生的能量。并通过实验对所提出的能量采集电路进行了性能测试,测试结果表明,与标准能量收集电路相比,所提出的电路在性能上分别提升1.23倍、10.48倍、1.68倍。 (3)针对上文中多源能量采集电路体积庞大、功耗较高的问题,对多源能量采集电路进行了优化。通过引入RC高通滤波电路,准确定位最大功率点处对应的电压,即使在光照强度变化的情况下,优化后的电路相较于标准能量收集电路在效果上提升了14.5倍。对于单独振动激励以及光照和振动共同激励的情况,采用同步开关电感电路与同步电荷提取电路相组合的方式,因为二者的输出电流同频,只需判断电流是是否达到峰值然后闭合开关进行电荷的转移。这种设计不仅缩小了电路的体积,而且相较于先前的电路,能量收集效果提升1.84倍。使用该电路进行负载供能测试,330uF电容上的电压增加了419.13mV,电容上的能量使LED时钟工作20s。

关键词： 集成电路企业   双元学习   企业韧性   数字化创新   数字化运营  

摘要： 集成电路产业作为数字经济的底层支撑,是一种集技术、人才、资金于一体高度密集的战略性和先导性产业,其中蕴含着众多的关键核心技术更是帮助我国引领和掌握新一轮科技变革的关键力量。如今,以人工智能、大数据、物联网等数字技术高速发展,数字经济成为助推产业高质量发展的重要引擎。集成电路产业更是在数字技术的驱动下逐渐提升,但在“华为之难”“中芯困境”的影响下使得当前集成电路企业面临的危机频发,充满着环境不确定性。集成电路产业如何提升企业韧性,摆脱困境,成为一项亟待探索的重要内容。在数字经济时代下,数字化发展作为企业组织管理和竞争优势的核心,越发依赖组织学习活动集思广益来凝聚智慧。此时,企业通过组织学习活动来激发企业的数字化活力实现知识价值向竞争优势的转变,对于企业的生存和发展具有重大意义。因此,本文深入研究双元学习、数字化创新、数字化运营和企业韧性的关系,为集成电路企业韧性路径的提升提供参考意见。 本文以集成电路企业员工为研究对象,综合运用组织学习理论、动态能力理论,探讨了双元学习对企业韧性的影响机制和路径。首先,对双元学习、数字化创新、数字化运营、环境不确定性和企业韧性的含义、前置变量、结果变量、测量进行梳理和分析,阐述了五个变量之间的关系,构建了本文的理论模型,并针对本文的研究内容提出了研究假设。其次,以集成电路企业员工为研究对象进行问卷发放,得到450份有效问卷。最后,通过SPSS25.0和AMOS26.0软件进行了共同方法偏差检验、信度检验、效度检验,用SPSS25.0软件对双元学习、数字化创新、数字化运营、环境不确定性与企业韧性之间的关系进行分析和验证。 实证结果表明:双元学习对企业韧性起到促进作用;数字化创新在双元学习和企业韧性之间起中介作用;数字化运营在双元学习和企业韧性之间起中介作用;环境不确定性正向调节双元学习与数字化创新之间的关系;环境不确定性正向调节双元学习与数字化运营之间的关系。

关键词： 量子计算   量子Oracle   Shor算法   Grover算法   XAG数据结构  

摘要： 量子计算作为一种区别于经典计算的新计算范式，因其在理论上有着指数级加速的能力而受到广泛关注。许多研究致力于探索利用量子算法来解决经典问题，但在很多情况下，这些研究都未详细描述所使用的量子算法的具体电路实现，特别是缺乏解决对应问题所需的Oracle的电路设计，并且这些研究也很少在实际的量子计算平台上进行仿真运行。因此，本研究主要探讨量子计算中的量子Oracle电路的构造与自动生成，目的是提高量子算法的效率和实用性。　　首先，本研究使用Shor算法来解决大整数分解问题，并构造了对应的模幂Oracle。对于模幂电路，可以将其分解为更简单的电路模块。模幂电路可以通过模乘电路来实现，而模乘电路可以通过将输入数字作为模加电路的控制位来实现。对于模加电路，通过限制输入的范围可以转化为加法或减法电路。加法电路的设计中采用了分治策略，可以将其分解为高位和低位的加法。在分治过程中，可以利用基于Toffoli门的进位电路来预测低位加法是否会产生进位，并根据预测结果决定是否对高位进行增量操作，最后递归地在高位和低位上进行较小规模的加法运算，从而实现加法电路。构造的模幂Oracle电路使用了PyQpanda量子计算框架进行了仿真实验，并通过大整数分解实例验证了电路的正确性。　　其次，本研究使用Grover算法来解决TSP问题，并构造了用于标记TSP问题的解的Oracle电路。该电路主要包括全排列验证电路、矩阵成本电路、求和电路和比较电路。全排列验证电路用于验证路径是否为有效的全排列，其中有三种不同的实现方法，最后在仿真时选择了“哈希计数”方法。该方法通过对路径点进行计数，来判断路径是否为有效全排列。矩阵成本电路根据输入的路径点对返回相应的成本值。求和电路对路径上所有相邻路径点的成本进行累加，以获得路径的总成本。比较电路则通过将负数硬编码到求和电路的初始值，来判断路径成本是否小于预设的阈值。最后通过将全排列验证电路的输出和求和电路的最高位进行逻辑与操作，从而判断出该路径是否能作为TSP问题的解。同样地，这一电路使用PyQpanda框架进行了仿真实验，并通过TSP实例验证了电路的正确性。　　最后，本研究使用量子编译算法来编译Oracle电路。先将模幂Oracle和求解TSP问题的Oracle转换为使用XAG表示的可逆逻辑电路，再通过Caterpillar量子逻辑综合库中的编译算法，自动编译出这些Oracle对应的量子电路。对比手工设计的量子电路与自动编译出的电路在资源消耗上的差异，可以发现手工设计的量子电路在量子比特数量上更少，而自动编译的电路则在Toffoli门的使用数量和电路深度上更好。

关键词： 红外图像   故障检测   电路板   高斯卷积   ORB图像配准算法  

摘要： 电路板作为各电子元器件装载的基板,随着制造工艺的发展,其功能和结构也变得越发复杂。当电路板中的元器件发生故障时,传统的接触式检测方式往往会出现耗时长、不易操作等诸多问题。因此,基于红外图像的电路板故障检测技术受到了广泛关注。此外,研究人员积极探索在低成本、便携性好的嵌入式设备上集成红外图像故障检测算法。但是由于嵌入式系统资源限制,所以对算法的实时性有着更高的要求。本文以“XXX电路板热成像检测方法”项目为依托,针对ARM嵌入式平台,完成了电路板红外图像故障检测方法中高斯卷积和图像配准算法的加速研究和实现。本文的主要研究内容包括: (1)高斯卷积算法的加速研究。本文针对ARM嵌入式平台,使用NEON技术向量化输入图像和高斯卷积核,将像素点和卷积核系数加载到向量寄存器中,并行处理数据。相比于原始高斯卷积的实现,本文方法将速度提升了4倍以上。 (2)改进ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF,方向性的快速特征提取与旋转的二进制描述符)图像配准算法。本文针对原始的ORB算法提取特征点耗时的问题,首先使用四叉树分解法精简输入图像的特征点检测区域,然后使用ORB算法提取图像特征点,最后使用BEBLID(Boosted efficient binary local image descriptor,提升的高效二进制局部图像描述符)描述特征点,从而提高图像匹配的实时性。本文改进的ORB算法在保证图像匹配精度的同时,将速度提升了1倍以上。在特征点匹配方面,首先使用FLANN(Fast Library for Approximate Nearest Neighbors,快速最近邻搜索)算法进行粗匹配,再使用PROSAC(Progressive Sample Consensus,渐进一致采样)算法去除错误匹配,进一步提高了图像配准的实时性。 (3)优化的高斯卷积和图像配准算法的实现。本文使用C语言和NEON指令集实现高斯卷积,包括卷积向量化实现、除法的优化实现、零填充边界实现和剩余像素的处理。并使用C++语言和Open CV库函数实现了基于改进ORB和FLANNPROSAC的图像配准算法,便于移植测试和应用。 (4)综合验证和应用。使用公共的图像数据集,将本文实现的高斯卷积和图像配准算法应用于差分图像法,并将其移植到ARM开发平台进行实验对比。测试结果表明,本文算法相对于原始算法,在实时性方面,性能得到了很大的提升,达到了项目的指标要求。

关键词： 薄膜晶体管   碳纳米管   铟锡锌氧   互补结构   逻辑电路  

摘要： 碳纳米管（CNT）在具备高电学性能的同时,还具有高透明度、可弯曲、耐低温、抗辐射等优点,其优越的电学、光学、热学、力学性能可满足高分辨率、透明、柔性等新型显示应用的需求,是有望应用于下一代薄膜晶体管（TFT）技术的有源层材料。但是碳纳米管薄膜晶体管（CNT TFT）的电学性能受沟道中半导体型碳纳米管的纯度及密度的影响很大,且本征的碳纳米管表现为p型导电特性,n型CNT TFT通常存在制备工艺复杂、工艺兼容性差、稳定性较差、电性能低于p型CNT TFT的问题,不利于互补电路的构建。针对以上缺点,本文通过聚合物修饰分离的方法制备出高纯度的半导体型CNTs溶液,通过溶液浸泡沉积的方式制备CNT有源层。通过研究沉积时的温度和时间,制备出了具备优良性能的CNT TFTs,并选用制备工艺简单的铟锡锌氧（ITZO）TFT与CNT TFT构成互补结构,通过探究ITZO TFT的退火工艺使两者的电学性能实现匹配,进而采用互补结构制备出了具有优良性能的反相器、与非门、或非门。具体内容如下: （1）通过用共轭聚合物PCz修饰碳纳米管,在50000g的相对离心力下离心2.5小时后,分离制备出纯度达到99.9%以上的半导体型碳纳米管溶液,并研究了溶液沉积温度和时间对CNT TFTs电学性能的影响。结果表明,在沉积温度60℃,沉积时间2小时的条件下,沟道中的CNTs具有较优的密度,电学性能最好。在最优条件下,CNT TFT的阈值电压为0.71 V,开关电流比为4.74×10～6,亚阈值摆幅为97 m V/dec,迁移率为19.76cm2/（V·s）,并验证了器件性能的均匀性。 （2）利用ITO与ZnO共溅射ITZO有源层的方式制备ITZO TFT,通过调整后退火条件,包括退火温度和退火时间,调整ITZO TFTs的电学性能。结果表明,在350℃下退火1小时具有较优的与CNT TFTs匹配的电学特性,并且在钝化后器件具有较好的稳定性,此时ITZO TFT的阈值电压为0.3 V,开关电流比为1.27×10～7,亚阈值摆幅为90 m V/dec,迁移率为11.98 cm2/（V·s）,并与通过HMDS处理后的CNT TFT实现了良好的性能匹配,此时CNT TFT的阈值电压为-0.3 V,开关电流比为4.26×10～4,亚阈值摆幅为103 m V/dec,迁移率为11.66 cm2/（V·s）。 （3）采用CNT TFT与ITZO TFT的互补结构制备的反相器的开关阈值电压为1.05V,静态功耗为3.48×10-10W,最大瞬时功耗为2.08×10-7W,电压增益为34.4,高电平噪声容限为37%VDD,低电平噪声容限为41%VDD,制备的反相器性能有良好的均匀性,并在这个基础上成功制备实现了互补与非门与或非门的逻辑功能。 本论文研究的CNT TFT与ITZO TFT的互补技术,实现了良好性能的基本互补逻辑电路,为CNT TFT互补结构的构建提供了一种解决方案,为后续更大规模互补集成电路的构建奠定了基础。