一種基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的組合邏輯電路設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的組合邏輯電路設(shè)計(jì)方法，屬于DNA邏輯口 計(jì)算領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 2010年，David Soloveichik等人提出"DNA as a universal substrate for chemical kinetics"(詳見(jiàn)文南犬 1，Soloveichik,D. ,G. Seelig,and E.Winfree,DNA as a universal substrate for chemical kinetics.Proc Natl Acad Sci U S A,2010.107 (12): p. 5393-8，），一定程度上從理論層面證明：對(duì)于任何一個(gè)形式化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)(CRNs)， 我們總能方便地找到其對(duì)應(yīng)的DNA的物理實(shí)現(xiàn)。也就是說(shuō)，任意一個(gè)我們所設(shè)計(jì)的CRNs，可 W映射到DNA分子鏈置換反應(yīng)上；而DNA分子鏈置換反應(yīng)，在"忽略反應(yīng)物、生成物具體是什 么DNA分子"的前提下，可W抽象為一個(gè)由一系列形如A+B一C+D的基元反應(yīng)所構(gòu)成的CRNs, 從而使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化。
[0003] 2011 年，Phillip Senum等人提出"Rate-ind邱endent constructs for chemical computation"(詳見(jiàn)文南犬2，Senum,P.and Μ.D.Riedel,Rate-independent constructs for chemical computation.化oS 0肥,2011.6)，表明化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如果設(shè)計(jì)的合理，化學(xué) 反應(yīng)的反應(yīng)速率將不會(huì)影響整個(gè)CRNs系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，即一定程度上可W不去考慮化學(xué)反 應(yīng)速率的精確值，而關(guān)屯、CRNs在某個(gè)相對(duì)反應(yīng)速率范圍內(nèi)的穩(wěn)定特性。
[0004] 2013年，Jiang Hua等人提出"Digital Logic with Molecular Reactions"(詳見(jiàn) 文南犬3，Jian邑 ,Parhi K,Digital Lo邑ic with Molecular Reactions.2013IEEE/ ACM International Conference,2013:p.721-727)，對(duì)于單個(gè)比特如X，可W用式（1)運(yùn)一 組3個(gè)化學(xué)反應(yīng)來(lái)表示，并由此提出了基于分子反應(yīng)雙穩(wěn)態(tài)的數(shù)字邏輯，W及簡(jiǎn)單組合邏輯 的設(shè)計(jì)。然而，該設(shè)計(jì)方法需要具體的電路架構(gòu)，且不具有一般性。
[0005] Xo巧 1 一 Sx
[0006] Xo+Sx 一 3X〇 (1)
[0007] Xi+Sx 一 3Xi [000引。
[0009]申請(qǐng)?zhí)枮?01510369748.3的中國(guó)專利基于DNA分子鏈置換反應(yīng)提取實(shí)現(xiàn)組合邏輯 的CR化的方法，具體公開(kāi)了按照設(shè)定的邏輯功能，得到一張反映輸入、輸出邏輯關(guān)系的真值 表，并從真值表中映射出形式化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，采用卡諾圖化簡(jiǎn)的方法形式化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn) 行化簡(jiǎn)，獲得用于實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能的形式化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，該方法為按照卡諾圖進(jìn)行全部 一一映射的方法，可W得到仿真很好的CRNs了。而考慮到節(jié)約能耗等問(wèn)題，該卡諾圖化簡(jiǎn)方 法也能在一定程度上減少了化學(xué)反應(yīng)方程。但是對(duì)于2輸入異或口而言，該卡諾圖化簡(jiǎn)方法 并不能運(yùn)用，因?yàn)闊o(wú)法化簡(jiǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力 學(xué)的組合邏輯電路設(shè)計(jì)方法，該方法借助于卡諾圖作部分映射，減少使用的化學(xué)反應(yīng)方程 數(shù)目而不影響所實(shí)現(xiàn)的邏輯功能，具有普適一般性，且通俗易懂。
[0011] 技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0012] -種基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的組合邏輯電路設(shè)計(jì)方法，根據(jù)設(shè)定的邏輯功能，得到 一張反映輸入信號(hào)、輸出信號(hào)邏輯關(guān)系的真值表，將該真值表通過(guò)卡諾圖作部分映射到形 式化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)CRNs，從而實(shí)現(xiàn)該設(shè)定邏輯功能。
[0013] 優(yōu)選的：所述形式化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)CRNs包括背景反應(yīng)、主要反應(yīng)和修正反應(yīng);其中， 背景反應(yīng)用于通過(guò)表示穩(wěn)定的單個(gè)比特，得到穩(wěn)定的輸入、輸出信號(hào);主要反應(yīng)用于將真值 表所涵蓋的邏輯功能，部分映射到形式化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)CRNs當(dāng)中，使得的形式化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò) CR化能實(shí)現(xiàn)其真值表所涵蓋的邏輯功能;修正反應(yīng)用于使得輸出穩(wěn)定在同等輸入水平上， 不產(chǎn)生輸出的放大。
[0014] 優(yōu)選的:所述部分映射是指對(duì)于卡諾圖中的小分隔，只將邏輯值為1的小分隔映射 為化學(xué)反應(yīng)方程。
[0015] 優(yōu)選的：對(duì)輸入、輸出均作雙穩(wěn)態(tài)的背景反應(yīng)，僅對(duì)邏輯1的小分隔作主要反應(yīng)的 映射，且最初在系統(tǒng)中Z%的濃度為0，得到的修正反應(yīng)為：
[0016] Z'1+Zo一Zi
[0017] ;
[001 引 Z'1+Zi 一 Zi
[0019] 其中，Z^i表示預(yù)生成物Z/的邏輯值為l，Zo表示輸出信號(hào)Z的邏輯值為0，Zi表示輸 出信號(hào)Z的邏輯值為1，Z%表示預(yù)生成物Z/的邏輯值為0。
[0020] 對(duì)輸入、輸出均作雙穩(wěn)態(tài)的背景反應(yīng)或者僅對(duì)輸入作雙穩(wěn)態(tài)的背景反應(yīng)，僅對(duì)邏 輯1的小分隔作主要反應(yīng)的映射，且最初系統(tǒng)總Z%的濃度為lOnM，得到的修正反應(yīng)為：
[0021] Z'1+Zo一Zi
[0022] ；
[0023] 1' o+Zi^Zo
[0024] 其中，Z/1表示預(yù)生成物Z/的邏輯值為1，Zo表示輸出信號(hào)Z的邏輯值為0，Zi表示輸 出信號(hào)Z的邏輯值為1，Z%表示預(yù)生成物Z/的邏輯值為0。
[0025] 優(yōu)選的:對(duì)2輸入-1輸出的邏輯電路，其輸入、輸出均作雙穩(wěn)態(tài)的背景反應(yīng)，僅對(duì)邏 輯1的小分隔作主要反應(yīng)的映射，且最初在系統(tǒng)中Z%的濃度為0構(gòu)建形式化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò) CR化的方法：
[0026] 步驟11，構(gòu)建背景反應(yīng)，根據(jù)兩個(gè)輸入信號(hào)構(gòu)建輸入、輸出均作雙穩(wěn)態(tài)的背景反 應(yīng)；
[0027] 根據(jù)第一輸入信號(hào)構(gòu)建其穩(wěn)態(tài)背景反應(yīng)方程式：
[002引 Xo巧 1 一 Sx
[0029] Sx巧0 一 3Xo;
[0030] Sx+Xi 一 3Xi
[0031] 其中，X表示第一輸入信號(hào)，Xi表示第一輸入信號(hào)邏輯l，Xo表示第一輸入信號(hào)邏輯 0，Sx表示第一輸入信號(hào)中間產(chǎn)物表示反應(yīng)符號(hào)，其左邊表示反應(yīng)物，右邊表示生成物。
[0032] 根據(jù)第二輸入信號(hào)構(gòu)建其穩(wěn)態(tài)背景反應(yīng)方程式：
[0033] Yo+Yi 一 Sy
[0034] Sy+Yo 一 3Υο;
[0035] Sy+Yi 一 3Yi
[0036] 其中，Υ表示第二輸入信號(hào)，Yi表示第二輸入信號(hào)邏輯1，Υ〇表示第二輸入信號(hào)邏輯 0，Sy表示第二輸入信號(hào)中間產(chǎn)物。
[0037] 根據(jù)輸出信號(hào)構(gòu)建其穩(wěn)態(tài)背景反應(yīng)方程式：
[003引 Zo+Zi 一 Sz
[0039] Sz+Zo 一 3Zo;
[0040] Sz+Zi 一 3Zi
[0041] 其中，Z表示輸出信號(hào)表示輸出信號(hào)邏輯l，Zo表示輸出信號(hào)邏輯0，Sz表示輸出 信號(hào)中間產(chǎn)物。
[0042] 步驟12,構(gòu)建真值表:根據(jù)第一輸入信號(hào)、第二輸入信號(hào)的邏輯值建立真值表；
[0043]
[0044]其中，X表不第一輸入信號(hào)，Y表不第二輸入信號(hào)。
[0045] 步驟13,構(gòu)建主要反應(yīng)，W步驟11生成的第一輸入信號(hào)、第二輸入信號(hào)作為反應(yīng) 物，W步驟12建立的真值表，基于卡諾圖僅對(duì)邏輯1的小分隔作主要反應(yīng)的映射，得到其主 要反應(yīng)方程式：
[0046] Xo+Yi 一 Xo+Yi+Z^ 1
[0047] ;
[004引 Xi+Yo 一 Xi+Yo+Z' 1
[0049] 其中，Z/1表示主要反應(yīng)里的預(yù)生成物邏輯1。
[0050] 步驟14,構(gòu)建修正反應(yīng)，W步驟11生成的輸出信號(hào)W及步驟13生成的主要反應(yīng)里 的預(yù)生成物邏輯1作為反應(yīng)物得到修正反應(yīng)方程式：
[0051 ] Z' i+Zi一Zi
[0化 2] ；
[0053] 1' i+Zo^Zi
[0054] 若生成的輸出信號(hào)Zi不穩(wěn)定，則將該生成的輸出信號(hào)Zi作為步驟11中輸出信號(hào)背 景反應(yīng)方程式的反應(yīng)物。
[0055] 優(yōu)選的:對(duì)2輸入-1輸出的邏輯電路，其輸入、輸出均作雙穩(wěn)態(tài)的背景反應(yīng)，僅對(duì)邏 輯1的小分隔作主要反應(yīng)的映射，且最初系統(tǒng)總Z^o的濃度為lOnM構(gòu)建形式化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò) CR化的方法：
[0056] 步驟21，構(gòu)建背景反應(yīng)，根據(jù)兩個(gè)輸入信號(hào)構(gòu)建輸入、輸出均作雙穩(wěn)態(tài)的背景反 應(yīng)；
[0057] 根據(jù)第一輸入信號(hào)構(gòu)建其穩(wěn)態(tài)背景反應(yīng)方程式：
[005引 Xo巧 1 一 Sx [0化9] Sx巧0 一 3Xo;
[0060] Sx+Xi 一 3Xi
[0061] 其中，X表示第一輸入信號(hào)，Xi表示第一輸入信號(hào)邏輯l，Xo表示第一輸入信號(hào)邏輯 0，Sx表示第一輸入信號(hào)中間產(chǎn)物表示反應(yīng)符號(hào)，其左邊表示反應(yīng)物，右邊表示生成物。
[0062] 根據(jù)第二輸入信號(hào)構(gòu)建其穩(wěn)態(tài)背景反應(yīng)方程式：
[0063] Yo+Yi 一 Sy
[0064] Sy+Yo 一 3Υο;
[00化]Sy+Yi 一 3Yi
[0066] 其中，Υ表示第二輸入信號(hào)，Yi表示第二輸入信號(hào)邏輯1，Υ〇表示第二輸入信號(hào)邏輯 0，Sy表示第二輸入信號(hào)中間產(chǎn)物。
[0067] 根據(jù)輸出信號(hào)構(gòu)建其穩(wěn)態(tài)背景反應(yīng)方程式：
[006引 Zo+Zi 一 Sz
[0069] Sz+Zo 一 3Zo;
[0070] Sz+Zi 一 3Zi
[0071] 其中，Z表示輸出信號(hào)表示輸出信號(hào)邏輯l，Zo表示輸出信號(hào)邏輯0，Sz表示輸出 信號(hào)中間產(chǎn)物。
[0072] 步驟22,構(gòu)建真值表:根據(jù)第一輸入信號(hào)、第二輸入信號(hào)的邏輯值建立真值表；
[0073]
[0074] 其中，X表示第一輸入信號(hào)，Y表示第二輸入信號(hào)。