Mais de metade das florestas do mundo são florestas secundárias e a sucessão determinística prevê que muitos aspectos das florestas originais serão recuperados. Por outro lado, os remanescentes florestais encontram-se em paisagens fragmentadas nas quais às alterações microclimáticas induzidas por efeitos de bordas podem levar a uma sucessão retrogressiva, denominada "secundarização". Assim, as comunidades florestais atuais tendem a convergir em termos de estrutura e funções que desempenham no ecossistema, e a compreensão da dinâmica de espécies e de comunidades tornou-se uma preocupação fundamental dos estudos florestais. A heterogeneidade do habitat, juntamente com diferenças ecofisiológicas entre espécies, leva à segregação destas ao longo de gradientes espaciais ou temporais. Aqui, avaliamos a estrutura filogenética e a variação da composição filogenética das comunidades arbóreas florestais buscando evidenciar padrões de segregação ao longo do gradiente sucessional. No segundo capítulo, avaliamos o poder preditivo das características funcionais sobre as mudanças demográficas de curto prazo (intervalo de cinco anos) de 20 espécies arbóreas subtropicais. No terceiro, comparamos a dinâmica de curto prazo de comunidades florestais secundárias e remanescentes no fragmentado bioma da Mata Atlântica. Nossos resultados mostraram que as linhagens principais segregam ao longo do gradiente sucessional devido a requerimentos conservados de nichos de clados basais, revelando sua associação funcional a florestas mais antigas, enquanto Eudicots podem ocorrer ao longo do gradiente. No nível das espécies, atributos foliares foram preditivos de mudanças demográficas de curto prazo e, no nível de comunidade, atributos foliares e massa das sementes captaram melhor as mudanças na composição funcional de curto prazo. Constatou-se o aumento de atributos conservativos em florestas secundárias e a perda de biomassa, devido à queda de grandes árvores, nas florestas remanescentes, expressando a perda de uma importante característica estrutural dessas florestas. / More than half of the natural world’s forest is secondary forest and deterministic succession predicts that many features of pre-disturbed forests will be recovered. On the other hand, remnant old-growth forests are mostly within fragmented landscapes and edge-induced microclimatic conditions may lead to a retrogressive succession, named ‘secondarization’. Thereby current forests tend to converge in terms of community structure and ecosystem function and the understanding of species and community dynamics became a main concern of forest studies. Habitat heterogeneity together with ecophysiological differences between species would carry to species segregation along spatial or temporal gradients. Here we evaluated the phylogenetic structure of communities and phylogenetic composition variation to evidence patterns of segregation along the succession of tree species. In the second chapter, we evaluated the predictive power of the functional traits on short-term demographic changes (five years interval) of 20 subtropical tree species. In the third, we compared the short-term dynamics of secondary and old-growth forest communities in the fragmented Atlantic forest biome. Our results showed that the main lineages segregate along the successional gradient due to conserved niche requirements of the earlydivergent clades reveling their functional association to older successional forests, whereas Eudicots can occur over the gradient. At species level, leaf functional traits were predictive of the short-term demographic changes and, at the community level, leaf traits and seed mass better captured the short-term functional composition changes of the communities. We found the rise of conservative traits at secondary forests and biomass loss, due to fall of big trees, at the old-growth communities expressing the loss of an important structural feature of these forests.

Mais de metade das florestas do mundo são florestas secundárias e a sucessão determinística prevê que muitos aspectos das florestas originais serão recuperados. Por outro lado, os remanescentes florestais encontram-se em paisagens fragmentadas nas quais às alterações microclimáticas induzidas por efeitos de bordas podem levar a uma sucessão retrogressiva, denominada "secundarização". Assim, as comunidades florestais atuais tendem a convergir em termos de estrutura e funções que desempenham no ecossistema, e a compreensão da dinâmica de espécies e de comunidades tornou-se uma preocupação fundamental dos estudos florestais. A heterogeneidade do habitat, juntamente com diferenças ecofisiológicas entre espécies, leva à segregação destas ao longo de gradientes espaciais ou temporais. Aqui, avaliamos a estrutura filogenética e a variação da composição filogenética das comunidades arbóreas florestais buscando evidenciar padrões de segregação ao longo do gradiente sucessional. No segundo capítulo, avaliamos o poder preditivo das características funcionais sobre as mudanças demográficas de curto prazo (intervalo de cinco anos) de 20 espécies arbóreas subtropicais. No terceiro, comparamos a dinâmica de curto prazo de comunidades florestais secundárias e remanescentes no fragmentado bioma da Mata Atlântica. Nossos resultados mostraram que as linhagens principais segregam ao longo do gradiente sucessional devido a requerimentos conservados de nichos de clados basais, revelando sua associação funcional a florestas mais antigas, enquanto Eudicots podem ocorrer ao longo do gradiente. No nível das espécies, atributos foliares foram preditivos de mudanças demográficas de curto prazo e, no nível de comunidade, atributos foliares e massa das sementes captaram melhor as mudanças na composição funcional de curto prazo. Constatou-se o aumento de atributos conservativos em florestas secundárias e a perda de biomassa, devido à queda de grandes árvores, nas florestas remanescentes, expressando a perda de uma importante característica estrutural dessas florestas. / More than half of the natural world’s forest is secondary forest and deterministic succession predicts that many features of pre-disturbed forests will be recovered. On the other hand, remnant old-growth forests are mostly within fragmented landscapes and edge-induced microclimatic conditions may lead to a retrogressive succession, named ‘secondarization’. Thereby current forests tend to converge in terms of community structure and ecosystem function and the understanding of species and community dynamics became a main concern of forest studies. Habitat heterogeneity together with ecophysiological differences between species would carry to species segregation along spatial or temporal gradients. Here we evaluated the phylogenetic structure of communities and phylogenetic composition variation to evidence patterns of segregation along the succession of tree species. In the second chapter, we evaluated the predictive power of the functional traits on short-term demographic changes (five years interval) of 20 subtropical tree species. In the third, we compared the short-term dynamics of secondary and old-growth forest communities in the fragmented Atlantic forest biome. Our results showed that the main lineages segregate along the successional gradient due to conserved niche requirements of the earlydivergent clades reveling their functional association to older successional forests, whereas Eudicots can occur over the gradient. At species level, leaf functional traits were predictive of the short-term demographic changes and, at the community level, leaf traits and seed mass better captured the short-term functional composition changes of the communities. We found the rise of conservative traits at secondary forests and biomass loss, due to fall of big trees, at the old-growth communities expressing the loss of an important structural feature of these forests.

Mais de metade das florestas do mundo são florestas secundárias e a sucessão determinística prevê que muitos aspectos das florestas originais serão recuperados. Por outro lado, os remanescentes florestais encontram-se em paisagens fragmentadas nas quais às alterações microclimáticas induzidas por efeitos de bordas podem levar a uma sucessão retrogressiva, denominada "secundarização". Assim, as comunidades florestais atuais tendem a convergir em termos de estrutura e funções que desempenham no ecossistema, e a compreensão da dinâmica de espécies e de comunidades tornou-se uma preocupação fundamental dos estudos florestais. A heterogeneidade do habitat, juntamente com diferenças ecofisiológicas entre espécies, leva à segregação destas ao longo de gradientes espaciais ou temporais. Aqui, avaliamos a estrutura filogenética e a variação da composição filogenética das comunidades arbóreas florestais buscando evidenciar padrões de segregação ao longo do gradiente sucessional. No segundo capítulo, avaliamos o poder preditivo das características funcionais sobre as mudanças demográficas de curto prazo (intervalo de cinco anos) de 20 espécies arbóreas subtropicais. No terceiro, comparamos a dinâmica de curto prazo de comunidades florestais secundárias e remanescentes no fragmentado bioma da Mata Atlântica. Nossos resultados mostraram que as linhagens principais segregam ao longo do gradiente sucessional devido a requerimentos conservados de nichos de clados basais, revelando sua associação funcional a florestas mais antigas, enquanto Eudicots podem ocorrer ao longo do gradiente. No nível das espécies, atributos foliares foram preditivos de mudanças demográficas de curto prazo e, no nível de comunidade, atributos foliares e massa das sementes captaram melhor as mudanças na composição funcional de curto prazo. Constatou-se o aumento de atributos conservativos em florestas secundárias e a perda de biomassa, devido à queda de grandes árvores, nas florestas remanescentes, expressando a perda de uma importante característica estrutural dessas florestas. / More than half of the natural world’s forest is secondary forest and deterministic succession predicts that many features of pre-disturbed forests will be recovered. On the other hand, remnant old-growth forests are mostly within fragmented landscapes and edge-induced microclimatic conditions may lead to a retrogressive succession, named ‘secondarization’. Thereby current forests tend to converge in terms of community structure and ecosystem function and the understanding of species and community dynamics became a main concern of forest studies. Habitat heterogeneity together with ecophysiological differences between species would carry to species segregation along spatial or temporal gradients. Here we evaluated the phylogenetic structure of communities and phylogenetic composition variation to evidence patterns of segregation along the succession of tree species. In the second chapter, we evaluated the predictive power of the functional traits on short-term demographic changes (five years interval) of 20 subtropical tree species. In the third, we compared the short-term dynamics of secondary and old-growth forest communities in the fragmented Atlantic forest biome. Our results showed that the main lineages segregate along the successional gradient due to conserved niche requirements of the earlydivergent clades reveling their functional association to older successional forests, whereas Eudicots can occur over the gradient. At species level, leaf functional traits were predictive of the short-term demographic changes and, at the community level, leaf traits and seed mass better captured the short-term functional composition changes of the communities. We found the rise of conservative traits at secondary forests and biomass loss, due to fall of big trees, at the old-growth communities expressing the loss of an important structural feature of these forests.

Este trabalho apresenta a composição funcional (CF) como um novo paradigma para realização da síntese lógica de blocos combinacionais. CF usa uma abordagem ascendente para sintetizar funções Booleanas, sendo capaz de avaliar os custos das funções intermediárias e explorando dessa forma um grande número de combinações diferentes de funções candidatas. Há vantagens interessantes quando comparado à abordagem descendente da decomposição funcional. CF apresenta grande flexibilidade para criar algoritmos com resultados ótimos ou subótimos para diferentes aplicações. A estratégia proposta apresenta bons resultados para síntese de funções Booleanas visando diferentes tecnologias. CF é baseado nos seguintes princípios: (1) representação de funções lógicas como um par ligado com representações funcional e estrutural; (2) o algoritmo começa de um conjunto de funções iniciais; (3) funções mais simples são associadas para criar funções mais complexas; (4) existe uma ordem parcial que permite o uso da programação dinâmica; (5) um conjunto de funções permitidas pode ser mantido para reduzir o tempo de execução/consumo de memória. Este trabalho apresenta algoritmos de composição funcional para fatoração Booleana, incluindo fatoração ótima, fatoração considerando o operador OU-exclusivo, computação de cadeias mínimas de decisão e síntese de funções considerando somente portas lógicas majoritárias e inversores. / This work presents functional composition (FC) as a new paradigm for combinational logic synthesis. FC is a bottom-up approach to synthesize Boolean functions, being able to evaluate the cost of intermediate sub-functions, exploring a larger number of different candidate combinations. These are interesting advantages when compared to the top-down behavior of functional decomposition. FC presents great flexibility to implement algorithms with optimal or suboptimal results for different applications. The proposed strategy presents good results for the synthesis of Boolean functions targeting different technologies. FC is based on the following principles: (1) the representation of logic functions is done by a bonded pair of functional and structural representations; (2) the algorithm starts from a set of initial functions; (3) simpler functions are associated to create more complex ones; (4) there is a partial order, enabling dynamic programming; (5) a set of allowed functions can be used in order to reduce execution time/memory consumption. This work presents functional composition algorithms for Boolean factoring, including optimal factoring, Boolean factoring considering the exclusive-OR operator, minimum decision chain computation and synthesis of functions considering only majority and inverter logic gates.

Os avanços da indústria de semicondutores nas últimas décadas foram baseados fortemente na contínua redução de tamanho dos dispositivos CMOS fabricados. Os usos de dispositivos CMOS dependem profundamente da lógica de portas E/OU/INV. À medida que os dispositivos CMOS estão atingindo oslimites fisicos, pesquisadores aumento esforço para prolongar a vida útil da tecnologia CMOS. Também é necessário investigar dispositivos alternativos, que em muitos casos implicam no uso de operações lógicas básicas diferentes. Como as ferramentas comerciais de síntese não são capazes de manipular eficientemente estas tecnologias Esta tese de doutorado foca em produzir algoritmos eficientes para projeto de circuitos tanto em CMOS quanto em novas tecnologias, integrando estes algorithmos em fluxos de projeto. Para esta tarefa, aplicamos a técnica da composição functional, para sintetizar eficiente tanto em CMOS quanto em tecnologias emergentes. A composição funcional é uma abordagem de síntese de baixo para cima, provendo flexibilidade para implementar algoritmos com resultados ótimos ou sub-ótimos para diferentes tecnologias. A fim de investigar como a composição funcional se compara às abordagens de síntese estado-da-arte, propomos aplicar esse paradigma de síntese em seis cenários diferentes. Dois deles se concentram em circuitos baseados em CMOS e outros quatro em circuitos baseados em tecnologias emergentes. Em relação a circuitos baseados em CMOS, investigamos a composição funcional para fatoração de funções multi-saídas, aplicadas em um fluxo de resíntese. Também manipulamos funções aproximadas, a fim de sintetizar módulos de redundância tripla aproximada. No que diz respeito as tecnologias emergentes, exploramos a composição funcional através de diodos spintrônicos e outras abordagens promissoras com base em diferentes implementações de lógica: a lógica de limiar, lógica majoritária e lógica de implicação. Resultados apresentam uma melhoria considerável em relação aos métodos estadoda- arte tanto para aplicações CMOS quanto aplicações de tecnologias emergentes, demonstrando a capacidade de lidar com diferentes tecnologias e mostrando a possibilidade de melhorar tecnologias ainda não exploradas. / The advances in semiconductor industry over the last decades have been strongly based on continuous scaling down of dimensions in manufactured CMOS devices. The use of CMOS devices profoundly relies on AND/OR/Inverter logic. As the CMOS scaling is reaching its physical limits, researchers increase the effort to prolong the CMOS life. Also, it is necessary to investigate alternative devices, which in many cases implies the use of different basic logic operations. As the commercial synthesis tools are not able to handle these technologies efficiently, there is an opportunity to research alternative logic implementations better suited for these new devices. This thesis focuses on presenting efficient algorithms to design circuits in both CMOS and new technologies while integrating these algorithms into regular design flows. For this task, we apply the functional composition technique, to efficiently synthesize both CMOS and emerging technologies. The functional composition is a bottom-up synthesis approach, providing flexibility to implement algorithms with optimal or suboptimal results for different technologies. To investigate how the functional composition compares to the state-of-the-art synthesis methods, we propose to apply this synthesis paradigm into six different scenarios. Two of them focus on CMOS-based circuits, and other four are based on emerging technologies. Regarding CMOSbased circuits, we investigate functional composition to investigate multi-output factorization in a circuit resynthesis flow. Also, we manipulate approximate functions to synthesize approximate triple modular redundancy (ATMR) modules. Concerning emerging technologies, we explore functional composition over spin-diode circuits and other promising approaches based on different logic implementations: threshold logic, majority logic, and implication logic. Results present a considerable improvement over the state-of-the-art methods for both CMOS and emerging technologies applications, demonstrating the ability to handle different technologies and showing the possibility to improve technologies not explored yet.

As invasões biológicas são consideradas a segunda maior causa de perda de biodiversidade, pois podem causar diversos impactos ecológicos. Recentemente foi chamado à atenção um novo mecanismo pelo qual espécies invasoras podem afetar as nativas: através da interferência no nicho acústico. O mascaramento dos sinais a partir de fontes de ruídos pode afetar diretamente a fisiologia reprodutiva ou o consumo de energia. A vocalização está diretamente ligada com a seleção sexual em anfíbios, aves, insetos e muitos mamíferos, de maneira que a presença de novas fontes sonoras no ambiente pode afetar a aptidão das espécies. Uma das piores invasoras do mundo, a rã-touro Lithobates catesbeianus, nativa dos EUA, Canadá e México, está distribuída em mais de 40 países, e em pelo menos 130 municípios brasileiros. A rã-touro possui uma vocalização de amplo espectro de frequências, diferente do que é encontrado nas espécies nativas brasileiras. Seus cantos têm frequência dominante baixa, grande propagação e pouca degradação e atenuação no ambiente. A presença do canto da espécie pode causar alteração nos parâmetros dos cantos de uma espécie nativa da Mata Atlântica brasileira. Entretanto, não é sabido se outras espécies também podem ser afetadas e se a introdução da rã-touro é capaz de afetar o comportamento acústico das comunidades nativas. Neste estudo, nós avaliamos os efeitos da invasão de L. catesbeianus sobre o nicho acústico das espécies nativas, usando duas perspectivas, no nível de indivíduos e de comunidades. No Capítulo I nós avaliamos se o estímulo acústico da rã-touro pode alterar parâmetros temporais e espectrais dos cantos de espécies nativas com e sem sobreposição espectral com a espécie invasora. Nós testamos a hipótese de que espécies com sobreposição de frequências com a invasora apresentam mudanças maiores nos parâmetros de vocalização do que espécies que estejam fora desse espectro. Para isso realizamos um experimento em campo, introduzindo a vocalização da espécie em área onde não existe registro da sua ocorrência. Nós utilizamos mais dois estímulos, um ruído branco e uma vocalização de uma espécie nativa, Rhinella icterica. Todas as espécies testadas foram expostas aos três estímulos, onde comparamos com a sua atividade de vocalização espontânea. Nossos resultados mostram efeito de todos os tipos de ruídos nos cantos, mas todas as espécies responderam com mudanças maiores nos parâmetros para os dois anuros do que para o ruído. É provável que esse resultado esteja relacionado ao fato de que ambas as espécies de anuros utilizados nos experimentos tenham a frequência dominante baixa. Entretanto, os resultados reforçam que a introdução de novos sons no ambiente tem potencial de modificar os cantos. No Capítulo II, nós testamos se existe diferença na diversidade funcional acústica em ambientes com e sem a presença de L. catesbeianus em áreas invadidas da Mata Atlântica no sul do Brasil. Nós testamos a hipótese de que poças com a presença dos machos de rã-touro em atividade de vocalização e poças sem a presença dos mesmos apresentam distintos padrões de diversidade funcional acústica e composição funcional acústica mais homogênea. Para isso, nós utilizamos dados coletados em 15 pares de poças invadidas e não invadidas na Mata Atlântica no sul do Brasil e realizamos análises de diversidade e composição funcional utilizando atributos acústicos. Nossos resultados mostram que a composição funcional foi mais homogênea nas poças invadidas do que nas poças não invadidas. Nessas poças, há uma seleção de frequências, onde predominantemente as espécies com frequências dominantes mais altas vocalizam. Ou seja, as espécies que não possuem sobreposição de frequência dominante com a rã-touro. Este estudo é um dos primeiros a testar efeitos da invasão do nicho acústico sobre as comunidades nativas. Ambientes nativos podem ser vulneráveis à introdução de espécies generalistas que produzem sinais de baixa frequência e grande amplitude. Assim, a eficiência de propagação dos sinais confere à rã-touro vantagem adaptativa na comunicação e reprodução, favorecendo o processo de estabelecimento e dispersão em detrimento das espécies nativas. / Biological Invasions are considered the second leading cause of biodiversity loss, because they may cause many ecological impacts. Recently, was called attention to a new mechanism by which invasive species can affect native species: through interference in the acoustic niche. The masking of signals from noise sources can directly affect reproductive physiology or energy consumption. Vocalization is directly connected with the sexual selection in amphibians, birds, insects, and many mammals, so that the presence of new sound sources in the environment can affect the fitness of the species. One of the worst invasive species of the world, the bullfrog Lithobates catesbeianus, native from USA, Canada and Mexico, is distributed in over 40 countries around the world and, at least, 130 Brazilian municipalities. The bullfrog has a wide spectrum of frequencies vocalization, different from what is founded in Brazilian native species. Their calls have low dominant frequency, large propagation and little degradation and attenuation in the environment. The presence of the species’ call can cause changes in the parameters of the native species’ calls from Brazilian Atlantic Forest. However, it is not known if other species may also be affected and the introduction of bullfrogs can affect the acoustic behavior of the native communities. In this study, we evaluated the effects of L. catesbeianus invasion on the acoustic niche of native species, using two perspectives at the level of individuals and communities. In Chapter I we evaluate how the acoustic stimulus of bullfrogs can change temporal and spectral parameters of the native species’ calls with and without spectral overlap with invasive species. We tested the hypothesis that species with overlapping frequencies with the invading show greater change in vocalization parameters than species outside this spectrum. To make this we conducted a field experiment, introducing the vocalization of the invasion species in an area where there is no record of their occurrence. We used two stimuli, a white noise and calling of a native species, Rhinella icterica. All species tested were exposed to the three stimuli, which compared with its spontaneous vocalization activity. Our results show the effect of all kinds of noise at the calls, but all the species responded with large changes in the parameters for the two frogs than for noise. It is probable that this result is related to the fact that both species of frogs used in the experiments have low dominant frequency. However, the results reinforce the introduction of new sounds in the environment has the potential to modify the native calls. In Chapter II, we tested if exist differences in the acoustic functional diversity in environment with and without the presence of L. catesbeianus in invaded areas of the Atlantic Forest in southern Brazil. We tested the hypothesis that the ponds with presence of bullfrog males in vocalization activity and ponds without their presence have distinct patterns of acoustic functional diversity and acoustic functional composition more homogeneous. For this, we used data collected from 15 pairs of ponds invaded and not invaded by bullfrog in the Atlantic Forest in southern Brazil and realized analysis of diversity and functional composition using acoustic traits. Our results show that the functional composition was more homogeneous in ponds invaded than in ponds not invaded. In these ponds, there is a selection of frequencies, where predominantly the species that vocalize at highest frequencies are calling, that don´t have dominant frequency overlap with the bullfrog. This study is one of the first to test effects of acoustic niche invasion on native communities. Native environments may be vulnerable to the introduction of generalist species that produces low frequency and large amplitude signals. Therefore, signal propagation efficiency gives the bullfrog adaptive advantage in communication and reproduction, favoring the process of establishment and dispersion at the expense of native species.

Este trabalho apresenta a composição funcional (CF) como um novo paradigma para realização da síntese lógica de blocos combinacionais. CF usa uma abordagem ascendente para sintetizar funções Booleanas, sendo capaz de avaliar os custos das funções intermediárias e explorando dessa forma um grande número de combinações diferentes de funções candidatas. Há vantagens interessantes quando comparado à abordagem descendente da decomposição funcional. CF apresenta grande flexibilidade para criar algoritmos com resultados ótimos ou subótimos para diferentes aplicações. A estratégia proposta apresenta bons resultados para síntese de funções Booleanas visando diferentes tecnologias. CF é baseado nos seguintes princípios: (1) representação de funções lógicas como um par ligado com representações funcional e estrutural; (2) o algoritmo começa de um conjunto de funções iniciais; (3) funções mais simples são associadas para criar funções mais complexas; (4) existe uma ordem parcial que permite o uso da programação dinâmica; (5) um conjunto de funções permitidas pode ser mantido para reduzir o tempo de execução/consumo de memória. Este trabalho apresenta algoritmos de composição funcional para fatoração Booleana, incluindo fatoração ótima, fatoração considerando o operador OU-exclusivo, computação de cadeias mínimas de decisão e síntese de funções considerando somente portas lógicas majoritárias e inversores. / This work presents functional composition (FC) as a new paradigm for combinational logic synthesis. FC is a bottom-up approach to synthesize Boolean functions, being able to evaluate the cost of intermediate sub-functions, exploring a larger number of different candidate combinations. These are interesting advantages when compared to the top-down behavior of functional decomposition. FC presents great flexibility to implement algorithms with optimal or suboptimal results for different applications. The proposed strategy presents good results for the synthesis of Boolean functions targeting different technologies. FC is based on the following principles: (1) the representation of logic functions is done by a bonded pair of functional and structural representations; (2) the algorithm starts from a set of initial functions; (3) simpler functions are associated to create more complex ones; (4) there is a partial order, enabling dynamic programming; (5) a set of allowed functions can be used in order to reduce execution time/memory consumption. This work presents functional composition algorithms for Boolean factoring, including optimal factoring, Boolean factoring considering the exclusive-OR operator, minimum decision chain computation and synthesis of functions considering only majority and inverter logic gates.

Os avanços da indústria de semicondutores nas últimas décadas foram baseados fortemente na contínua redução de tamanho dos dispositivos CMOS fabricados. Os usos de dispositivos CMOS dependem profundamente da lógica de portas E/OU/INV. À medida que os dispositivos CMOS estão atingindo oslimites fisicos, pesquisadores aumento esforço para prolongar a vida útil da tecnologia CMOS. Também é necessário investigar dispositivos alternativos, que em muitos casos implicam no uso de operações lógicas básicas diferentes. Como as ferramentas comerciais de síntese não são capazes de manipular eficientemente estas tecnologias Esta tese de doutorado foca em produzir algoritmos eficientes para projeto de circuitos tanto em CMOS quanto em novas tecnologias, integrando estes algorithmos em fluxos de projeto. Para esta tarefa, aplicamos a técnica da composição functional, para sintetizar eficiente tanto em CMOS quanto em tecnologias emergentes. A composição funcional é uma abordagem de síntese de baixo para cima, provendo flexibilidade para implementar algoritmos com resultados ótimos ou sub-ótimos para diferentes tecnologias. A fim de investigar como a composição funcional se compara às abordagens de síntese estado-da-arte, propomos aplicar esse paradigma de síntese em seis cenários diferentes. Dois deles se concentram em circuitos baseados em CMOS e outros quatro em circuitos baseados em tecnologias emergentes. Em relação a circuitos baseados em CMOS, investigamos a composição funcional para fatoração de funções multi-saídas, aplicadas em um fluxo de resíntese. Também manipulamos funções aproximadas, a fim de sintetizar módulos de redundância tripla aproximada. No que diz respeito as tecnologias emergentes, exploramos a composição funcional através de diodos spintrônicos e outras abordagens promissoras com base em diferentes implementações de lógica: a lógica de limiar, lógica majoritária e lógica de implicação. Resultados apresentam uma melhoria considerável em relação aos métodos estadoda- arte tanto para aplicações CMOS quanto aplicações de tecnologias emergentes, demonstrando a capacidade de lidar com diferentes tecnologias e mostrando a possibilidade de melhorar tecnologias ainda não exploradas. / The advances in semiconductor industry over the last decades have been strongly based on continuous scaling down of dimensions in manufactured CMOS devices. The use of CMOS devices profoundly relies on AND/OR/Inverter logic. As the CMOS scaling is reaching its physical limits, researchers increase the effort to prolong the CMOS life. Also, it is necessary to investigate alternative devices, which in many cases implies the use of different basic logic operations. As the commercial synthesis tools are not able to handle these technologies efficiently, there is an opportunity to research alternative logic implementations better suited for these new devices. This thesis focuses on presenting efficient algorithms to design circuits in both CMOS and new technologies while integrating these algorithms into regular design flows. For this task, we apply the functional composition technique, to efficiently synthesize both CMOS and emerging technologies. The functional composition is a bottom-up synthesis approach, providing flexibility to implement algorithms with optimal or suboptimal results for different technologies. To investigate how the functional composition compares to the state-of-the-art synthesis methods, we propose to apply this synthesis paradigm into six different scenarios. Two of them focus on CMOS-based circuits, and other four are based on emerging technologies. Regarding CMOSbased circuits, we investigate functional composition to investigate multi-output factorization in a circuit resynthesis flow. Also, we manipulate approximate functions to synthesize approximate triple modular redundancy (ATMR) modules. Concerning emerging technologies, we explore functional composition over spin-diode circuits and other promising approaches based on different logic implementations: threshold logic, majority logic, and implication logic. Results present a considerable improvement over the state-of-the-art methods for both CMOS and emerging technologies applications, demonstrating the ability to handle different technologies and showing the possibility to improve technologies not explored yet.

Este trabalho apresenta a composição funcional (CF) como um novo paradigma para realização da síntese lógica de blocos combinacionais. CF usa uma abordagem ascendente para sintetizar funções Booleanas, sendo capaz de avaliar os custos das funções intermediárias e explorando dessa forma um grande número de combinações diferentes de funções candidatas. Há vantagens interessantes quando comparado à abordagem descendente da decomposição funcional. CF apresenta grande flexibilidade para criar algoritmos com resultados ótimos ou subótimos para diferentes aplicações. A estratégia proposta apresenta bons resultados para síntese de funções Booleanas visando diferentes tecnologias. CF é baseado nos seguintes princípios: (1) representação de funções lógicas como um par ligado com representações funcional e estrutural; (2) o algoritmo começa de um conjunto de funções iniciais; (3) funções mais simples são associadas para criar funções mais complexas; (4) existe uma ordem parcial que permite o uso da programação dinâmica; (5) um conjunto de funções permitidas pode ser mantido para reduzir o tempo de execução/consumo de memória. Este trabalho apresenta algoritmos de composição funcional para fatoração Booleana, incluindo fatoração ótima, fatoração considerando o operador OU-exclusivo, computação de cadeias mínimas de decisão e síntese de funções considerando somente portas lógicas majoritárias e inversores. / This work presents functional composition (FC) as a new paradigm for combinational logic synthesis. FC is a bottom-up approach to synthesize Boolean functions, being able to evaluate the cost of intermediate sub-functions, exploring a larger number of different candidate combinations. These are interesting advantages when compared to the top-down behavior of functional decomposition. FC presents great flexibility to implement algorithms with optimal or suboptimal results for different applications. The proposed strategy presents good results for the synthesis of Boolean functions targeting different technologies. FC is based on the following principles: (1) the representation of logic functions is done by a bonded pair of functional and structural representations; (2) the algorithm starts from a set of initial functions; (3) simpler functions are associated to create more complex ones; (4) there is a partial order, enabling dynamic programming; (5) a set of allowed functions can be used in order to reduce execution time/memory consumption. This work presents functional composition algorithms for Boolean factoring, including optimal factoring, Boolean factoring considering the exclusive-OR operator, minimum decision chain computation and synthesis of functions considering only majority and inverter logic gates.

Os avanços da indústria de semicondutores nas últimas décadas foram baseados fortemente na contínua redução de tamanho dos dispositivos CMOS fabricados. Os usos de dispositivos CMOS dependem profundamente da lógica de portas E/OU/INV. À medida que os dispositivos CMOS estão atingindo oslimites fisicos, pesquisadores aumento esforço para prolongar a vida útil da tecnologia CMOS. Também é necessário investigar dispositivos alternativos, que em muitos casos implicam no uso de operações lógicas básicas diferentes. Como as ferramentas comerciais de síntese não são capazes de manipular eficientemente estas tecnologias Esta tese de doutorado foca em produzir algoritmos eficientes para projeto de circuitos tanto em CMOS quanto em novas tecnologias, integrando estes algorithmos em fluxos de projeto. Para esta tarefa, aplicamos a técnica da composição functional, para sintetizar eficiente tanto em CMOS quanto em tecnologias emergentes. A composição funcional é uma abordagem de síntese de baixo para cima, provendo flexibilidade para implementar algoritmos com resultados ótimos ou sub-ótimos para diferentes tecnologias. A fim de investigar como a composição funcional se compara às abordagens de síntese estado-da-arte, propomos aplicar esse paradigma de síntese em seis cenários diferentes. Dois deles se concentram em circuitos baseados em CMOS e outros quatro em circuitos baseados em tecnologias emergentes. Em relação a circuitos baseados em CMOS, investigamos a composição funcional para fatoração de funções multi-saídas, aplicadas em um fluxo de resíntese. Também manipulamos funções aproximadas, a fim de sintetizar módulos de redundância tripla aproximada. No que diz respeito as tecnologias emergentes, exploramos a composição funcional através de diodos spintrônicos e outras abordagens promissoras com base em diferentes implementações de lógica: a lógica de limiar, lógica majoritária e lógica de implicação. Resultados apresentam uma melhoria considerável em relação aos métodos estadoda- arte tanto para aplicações CMOS quanto aplicações de tecnologias emergentes, demonstrando a capacidade de lidar com diferentes tecnologias e mostrando a possibilidade de melhorar tecnologias ainda não exploradas. / The advances in semiconductor industry over the last decades have been strongly based on continuous scaling down of dimensions in manufactured CMOS devices. The use of CMOS devices profoundly relies on AND/OR/Inverter logic. As the CMOS scaling is reaching its physical limits, researchers increase the effort to prolong the CMOS life. Also, it is necessary to investigate alternative devices, which in many cases implies the use of different basic logic operations. As the commercial synthesis tools are not able to handle these technologies efficiently, there is an opportunity to research alternative logic implementations better suited for these new devices. This thesis focuses on presenting efficient algorithms to design circuits in both CMOS and new technologies while integrating these algorithms into regular design flows. For this task, we apply the functional composition technique, to efficiently synthesize both CMOS and emerging technologies. The functional composition is a bottom-up synthesis approach, providing flexibility to implement algorithms with optimal or suboptimal results for different technologies. To investigate how the functional composition compares to the state-of-the-art synthesis methods, we propose to apply this synthesis paradigm into six different scenarios. Two of them focus on CMOS-based circuits, and other four are based on emerging technologies. Regarding CMOSbased circuits, we investigate functional composition to investigate multi-output factorization in a circuit resynthesis flow. Also, we manipulate approximate functions to synthesize approximate triple modular redundancy (ATMR) modules. Concerning emerging technologies, we explore functional composition over spin-diode circuits and other promising approaches based on different logic implementations: threshold logic, majority logic, and implication logic. Results present a considerable improvement over the state-of-the-art methods for both CMOS and emerging technologies applications, demonstrating the ability to handle different technologies and showing the possibility to improve technologies not explored yet.