O problema de fatorar e decompor funções Booleanas é Σ-completo2 para funções gerais. Algoritmos eficientes e exatos podem ser criados para classes de funções existentes como funções read-once, disjoint-support decomposable e read-polarity-once. Uma forma fatorada é chamada de read-once (RO) se cada variável aparece uma única vez. Uma função Booleana é RO se existe uma forma fatorada RO que a representa. Por exemplo, a função representada por =12+134+135 é uma função RO, pois pode ser fatorada em =1(2+3(4+5)). Uma função Booleana f(X) pode ser decomposta usando funções mais simples g e h de forma que ()=ℎ((1),2) sendo X1, X2 ≠ ∅, e X1 ∪ X2 = X. Uma decomposição disjunta de suporte (disjoint-support decomposition – DSD) é um caso especial de decomposição funcional, onde o conjunto de entradas X1 e X2 não compartilham elementos, i.e., X1 ∩ X2 = ∅. Por exemplo, a função =12̅̅̅3+123̅̅̅ 4̅̅̅+12̅̅̅4 é DSD, pois existe uma decomposição tal que =1(2⊕(3+4)). Uma forma read-polarity-once (RPO) é uma forma fatorada onde cada polaridade (positiva ou negativa) de uma variável aparece no máximo uma vez. Uma função Booleana é RPO se existe uma forma fatorada RPO que a representa. Por exemplo, a função =1̅̅̅24+13+23 é RPO, pois pode ser fatorada em =(1̅̅̅4+3)(1+2). Esta tese apresenta quarto novos algoritmos para síntese de funções Booleanas. A primeira contribuição é um método de síntese para funções read-once baseado em uma estratégia de divisão-e-conquista. A segunda contribuição é um algoritmo top-down para síntese de funções DSD baseado em soma-de-produtos, produto-de-somas e soma-exclusiva-de-produtos. A terceira contribuição é um método bottom-up para síntese de funções DSD baseado em diferença Booleana e cofatores. A última contribuição é um novo método para síntese de funções RPO que é baseado na análise de transições positivas e negativas. / The problem of factoring and decomposing Boolean functions is Σ-complete2 for general functions. Efficient and exact algorithms can be created for an existing class of functions known as read-once, disjoint-support decomposable and read-polarity-once functions. A factored form is called read-once (RO) if each variable appears only once. A Boolean function is RO if it can be represented by an RO form. For example, the function represented by =12+134+135 is a RO function, since it can be factored into =1(2+3(4+5)). A Boolean function f(X) can be decomposed using simpler subfunctions g and h, such that ()=ℎ((1),2) being X1, X2 ≠ ∅, and X1 ∪ X2 = X. A disjoint-support decomposition (DSD) is a special case of functional decomposition, where the input sets X1 and X2 do not share any element, i.e., X1 ∩ X2 = ∅. Roughly speaking, DSD functions can be represented by a read-once expression where the exclusive-or operator (⊕) can also be used as base operation. For example, =1(2⊕(4+5)). A read-polarity-once (RPO) form is a factored form where each polarity (positive or negative) of a variable appears at most once. A Boolean function is RPO if it can be represented by an RPO factored form. For example the function =1̅̅̅24+13+23 is RPO, since it can factored into =(1̅̅̅4+3)(1+2). This dissertation presents four new algorithms for synthesis of Boolean functions. The first contribution is a synthesis method for read-once functions based on a divide-and-conquer strategy. The second and third contributions are two algorithms for synthesis of DSD functions: a top-down approach that checks if there is an OR, AND or XOR decomposition based on sum-of-products, product-of-sums and exclusive-sum-of-products inputs, respectively; and a method that runs in a bottom-up fashion and is based on Boolean difference and cofactor analysis. The last contribution is a new method to synthesize RPO functions which is based on the analysis of positive and negative transition sets. Results show the efficacy and efficiency of the four proposed methods.

Circuitos baseados em portas lógicas de limiar (threshold logic gates – TLG) vem sendo estudados como uma alternativa promissora em relação ao tradicional estilo lógico CMOS, baseado no operadores AND e OR, na construção de circuitos integrados digitais. TLGs são capazes de implementar funções Booleanas mais complexas em uma única porta lógica. Diversos novos dispositivos, candidatos a substituir o transistor MOS, não se comportam como chaves lógicas e são intrinsicamente mais adequados à implementação de TLGs. Exemplos desses dispositivos são os memristores, spintronica, diodos de tunelamento ressonante (RTD), autômatos celulares quânticos (QCA) e dispositivos de tunelamento de elétron único (SET). Para o desenvolvimento de um fluxo de projeto de circuitos integrados baseados em lógica threshold, duas etapas são fundamentais: (1) identificar se uma dada função Booleana corresponde a uma função lógica threshold (TLF), isto é, pode ser implementada em um único TLG e computar os pesos desse TLG; (2) se uma função não é identificada como TLF, outro método de síntese lógica deve construir uma rede de TLGs otimizada que implemente a função. Este trabalho propõe métodos para atacar cada um desses dois problemas, e os resultados superam os métodos do estado-da-arte. O método proposto para realizar a identificação de TLFs é o primeiro método heurístico capaz de identificar todas as funções de cinco e seis variáveis, além de identificar mais funções que os demais métodos existentes quando o número de variáveis aumenta. O método de síntese de redes de TLGs é capaz de sintetizar circuitos reduzindo o número de portas TLG utilizadas, bem como a profundidade lógica e o número de interconexões. Essa redução é demonstrada através da síntese dos circuitos de avaliação da MCNC em comparação com os métodos já propostos na literatura. Tais resultados devem impactar diretamente na área e desempenho do circuito. / In this work, a novel method to synthesize digital integrated circuits (ICs) based on threshold logic gates (TLG) is proposed. Synthesis considering TLGs is quite relevant, since threshold logic has been revisited as a promising alternative to conventional CMOS IC design due to its suitability to emerging technologies, such as resonant tunneling diodes, memristors and spintronics devices. Identification and synthesis of threshold logic functions (TLF) are fundamental steps for the development of an IC design flow based on threshold logic. The first contribution is a heuristic algorithm to identify if a function can be implemented as a single TLG. Furthermore, if a function is not detected as a TLF, the method uses the functional composition approach to generate an optimized TLG network that implements the target function. The identification method is able to assign optimal variable weights and optimal threshold value to implement the function. It is the first heuristic algorithm that is not based on integer linear programming (ILP) that is able to identify all threshold functions with up to six variables. Moreover, it also identifies more functions than other related heuristic methods when the number of variables is more than six. Differently from ILP based approaches, the proposed algorithm is scalable. The average execution time is less than 1 ms per function. The second major contribution is the constructive process applied to generate optimized TLG networks taking into account multiple goals and design costs, like gate count, logic depth and number of interconnections. Experiments carried out over MCNC benchmark circuits show an average gate count reduction of 32%, reaching up to 54% of reduction in some cases, when compared to related approaches.

Este trabalho introduz o conceito de cortes k e cortes kl sobre um circuito mapeado, em uma representação netlist. Esta nova abordagem é derivada do conceito de cortes k e cortes kl sobre AIGs (and inverter graphs), respeitando as diferenças entre essas duas formas de representar um circuito. As principais diferenças são: (1) o número de entradas em um nodo do grafo, e (2) a presença de inversores e buffers de forma explícita no circuito mapeado. Um algoritmo para enumerar cortes k e cortes kl é proposto e implementado. A principal motivação de usar cortes kl sobre circuitos mapeados é para realizar otimizações locais na síntese lógica de circuitos digitais. A principal contribuição deste trabalho é uma abordagem nova de remapeamento iterativo, utilizando cortes kl, reduzindo a área do circuito e respeitando as restrições de temporização do circuito. O uso de portas lógicas complexas pode potencialmente reduzir a área total de um circuito, mas elas precisam ser escolhidas corretamente de forma a manter as restrições de temporização do circuito. Ferramentas comerciais de síntese lógica trabalham melhor com portas lógicas simples e não são capazes de explorar eventuais vantagens em utilizar portas lógicas complexas. A abordagem proposta de remapeamento iterativo utilizando cortes kl é capaz de explorar uma quantidade maior de portas lógicas com funções lógicas diferentes, reduzindo a área do circuito, e mantendo as restrições de temporização intactas ao fazer uma checagem STA (análise temporal estática). Resultados experimentais mostram uma redução de até 38% de área na parte combinacional de circuitos para um subconjunto de benchmarks IWLS 2005, quando comparados aos resultados de ferramentas comerciais de síntese lógica. Outra contribuição deste trabalho é um novo modelo de rendimento (yield) para fabricação de circuitos integrados (IC) digitais, considerando problemas de resolução da etapa de litografia como uma fonte de diminuição do yield. O uso de leiautes regulares pode melhorar bastante a resolução da etapa de litografia, mas existe um aumento de área significativo ao se introduzir a regularidade. Esta é a primeira abordagem que considera o compromisso (trade off) de portas lógicas com diferentes níveis de regularidade e diferentes áreas durante a síntese lógica, de forma a melhorar o yield do projeto. A ferramenta desenvolvida de remapeamento tecnológico utilizando cortes kl foi modificada de forma a utilizar esse modelo de yield como função custo, de forma a aumentar o número de boas amostras (dies) por lâmina de silício (wafer), com resultados promissores. / This work introduces the concept of k-cuts and kl-cuts on top of a mapped circuit in a netlist representation. Such new approach is derived from the concept of k-cuts and klcuts on top of AIGs (and inverter graphs), respecting the differences between these two circuit representations. The main differences are: (1) the number of allowed inputs for a logic node, and (2) the presence of explicit inverters and buffers in the netlist. Algorithms for enumerating k-cuts and kl-cuts on top of a mapped circuit are proposed and implemented. The main motivation to use kl-cuts on top mapped circuits is to perform local optimization in digital circuit logic synthesis. The main contribution of this work is a novel iterative remapping approach using klcuts, reducing area while keeping the timing constraints attained. The use of complex gates can potentially reduce the circuit area, but they have to be chosen wisely to preserve timing constraints. Logic synthesis commercial design tools work better with simple cells and are not capable of taking full advantage of complex cells. The proposed iterative remapping approach can exploit a larger amount of logic gates, reducing circuit area, and respecting global timing constraints by performing an STA (static timing analysis) check. Experimental results show that this approach is able to reduce up to 38% in area of the combinational portion of circuits for a subset of IWLS 2005 benchmarks, when compared to results obtained from logic synthesis commercial tools. Another contribution of this work is a novel yield model for digital integrated circuits (IC) manufacturing, considering lithography printability problems as a source of yield loss. The use of regular layouts can improve the lithography, but it results in a significant area overhead by introducing regularity. This is the first approach that considers the tradeoff of cells with different level of regularity and different area overhead during the logic synthesis, in order to improve overall design yield. The technology remapping tool based on kl-cuts developed was modified in order to use such yield model as cost function, improving the number of good dies per wafer, with promising interesting results.

Esta dissertação de mestrado introduz um conjunto de algoritmos baseados em grafos para a obtenção de circuitos VLSI com um número reduzido de transistores utilziando células simples. Esses algoritmos têm um foco principal na minimização do número de nodos em representações AIG e mapear essa estrutura otimizada utilizando células simples (NAND2 e NOR2) com um número mínimo de inversores. Devido à minimização de nodos, o AIG tem um alto compartilhamento lógico, o que pode derivar circuitos intermediários contendo células com fanouts infactíveis para os nodos tecnológicos atuais. De forma a resolver essas ocorrências, o circuito intermediário é submetido a um algoritmo para limitação de fanout. Os algoritmos propostos foram aplicados num conjunto de circuitos de benchmark e os resultados obtidos mostram a utilidade do método. Os circuitos resultantes tiveram, em média, 32% menos transistores do que as referências anteriores em números de transistores utilizando células simples. Adicionalmente, quando comparando esses resultados com trabalhos que utilizam células complexas, nossos números demonstraram que abordagens anteriores estão algumas vezes longe do número mínimo de transistores que pode ser obtido com o uso eficiente de uma biblioteca reduzida de células, composta por poucas células simples. Os circuitos baseados em células simples obtidos com a aplicação dos algoritmos proposto neste trabalho apresentam um menor número de transistores em muitos casos quando comparados aos resultados previamente publicados utilizando células complexas (CMOS estático e PTL). / This master’s thesis introduces a set of graph-based algorithms for obtaining reduced transistor count VLSI circuits using simple cells. These algorithms are mainly focused on minimizing node count in AIG representations and mapping this optimized AIG using simple cells (NAND2 and NOR2) with a minimal number of inverters. Due to the AIG node count minimization, the logic sharing is probably highly present in the optimized AIG, what may derive intermediate circuits containing cells with unfeasible fanout in current technology nodes. In order to fix these occurrences, this intermediate circuit is subjected to an algorithm for fanout limitation. The proposed algorithms were applied over a set of benchmark circuits and the obtained results have shown the usefulness of the method. The circuits generated by the methods proposed herein have, in average, 32% less transistor than the previous reference on transistor count using simple cells. Additionally, when comparing the presented results in terms of transistor count against works advocating for complex cells, our results have demonstrated that previous approaches are sometimes far from the minimum transistor count that can be obtained with the efficient use of a reduced cell library composed by only a few number of simple cells. The simple-cells-based circuits obtained after applying the algorithms proposed herein have presented a lower transistor count in many cases when compared to previously published results using complex (static CMOS and PTL) cells.

O problema de fatorar e decompor funções Booleanas é Σ-completo2 para funções gerais. Algoritmos eficientes e exatos podem ser criados para classes de funções existentes como funções read-once, disjoint-support decomposable e read-polarity-once. Uma forma fatorada é chamada de read-once (RO) se cada variável aparece uma única vez. Uma função Booleana é RO se existe uma forma fatorada RO que a representa. Por exemplo, a função representada por =12+134+135 é uma função RO, pois pode ser fatorada em =1(2+3(4+5)). Uma função Booleana f(X) pode ser decomposta usando funções mais simples g e h de forma que ()=ℎ((1),2) sendo X1, X2 ≠ ∅, e X1 ∪ X2 = X. Uma decomposição disjunta de suporte (disjoint-support decomposition – DSD) é um caso especial de decomposição funcional, onde o conjunto de entradas X1 e X2 não compartilham elementos, i.e., X1 ∩ X2 = ∅. Por exemplo, a função =12̅̅̅3+123̅̅̅ 4̅̅̅+12̅̅̅4 é DSD, pois existe uma decomposição tal que =1(2⊕(3+4)). Uma forma read-polarity-once (RPO) é uma forma fatorada onde cada polaridade (positiva ou negativa) de uma variável aparece no máximo uma vez. Uma função Booleana é RPO se existe uma forma fatorada RPO que a representa. Por exemplo, a função =1̅̅̅24+13+23 é RPO, pois pode ser fatorada em =(1̅̅̅4+3)(1+2). Esta tese apresenta quarto novos algoritmos para síntese de funções Booleanas. A primeira contribuição é um método de síntese para funções read-once baseado em uma estratégia de divisão-e-conquista. A segunda contribuição é um algoritmo top-down para síntese de funções DSD baseado em soma-de-produtos, produto-de-somas e soma-exclusiva-de-produtos. A terceira contribuição é um método bottom-up para síntese de funções DSD baseado em diferença Booleana e cofatores. A última contribuição é um novo método para síntese de funções RPO que é baseado na análise de transições positivas e negativas. / The problem of factoring and decomposing Boolean functions is Σ-complete2 for general functions. Efficient and exact algorithms can be created for an existing class of functions known as read-once, disjoint-support decomposable and read-polarity-once functions. A factored form is called read-once (RO) if each variable appears only once. A Boolean function is RO if it can be represented by an RO form. For example, the function represented by =12+134+135 is a RO function, since it can be factored into =1(2+3(4+5)). A Boolean function f(X) can be decomposed using simpler subfunctions g and h, such that ()=ℎ((1),2) being X1, X2 ≠ ∅, and X1 ∪ X2 = X. A disjoint-support decomposition (DSD) is a special case of functional decomposition, where the input sets X1 and X2 do not share any element, i.e., X1 ∩ X2 = ∅. Roughly speaking, DSD functions can be represented by a read-once expression where the exclusive-or operator (⊕) can also be used as base operation. For example, =1(2⊕(4+5)). A read-polarity-once (RPO) form is a factored form where each polarity (positive or negative) of a variable appears at most once. A Boolean function is RPO if it can be represented by an RPO factored form. For example the function =1̅̅̅24+13+23 is RPO, since it can factored into =(1̅̅̅4+3)(1+2). This dissertation presents four new algorithms for synthesis of Boolean functions. The first contribution is a synthesis method for read-once functions based on a divide-and-conquer strategy. The second and third contributions are two algorithms for synthesis of DSD functions: a top-down approach that checks if there is an OR, AND or XOR decomposition based on sum-of-products, product-of-sums and exclusive-sum-of-products inputs, respectively; and a method that runs in a bottom-up fashion and is based on Boolean difference and cofactor analysis. The last contribution is a new method to synthesize RPO functions which is based on the analysis of positive and negative transition sets. Results show the efficacy and efficiency of the four proposed methods.

Essa tese introduz um conjunto de algoritmos baseados em grafos para o mapeamento eficiente de circuitos VLSI com células simples. Os algoritmos propostos se baseiam em minimizar de maneira eficiente o número de elementos lógicos usados na implementação do circuito. Posteriormente, uma quantidade significativa de esforço é aplicada na minimização do número de inversores entre esses elementos lógicos. Por fim, essa representação lógica é mapeada para circuitos compostos somente por células NAND e NOR de duas entradas, juntamente com inversores. Células XOR e XNOR de duas entradas também podem ser consideradas. Como nós também consideramos circuitos sequenciais, flips-flops também são levados em consideração. Com o grande esforço de minimização de elementos lógicos, o circuito gerado pode conter algumas células com um fanout impraticável para os nodos tecnológicos atuais. Para corrigir essas ocorrências, nós propomos um algoritmo de limitação de fanout que considera tanto a área sendo utilizada pelas células quanto a sua profundidade lógica. Os algoritmos propostos foram aplicados sobre um conjunto de circuitos de benchmark e os resultados obtidos demonstram a utilidade dos métodos. Essa tese introduz um conjunto de algoritmos baseados em grafos para o mapeamento eficiente de circuitos VLSI com células simples. Os algoritmos propostos se baseiam em minimizar de maneira eficiente o número de elementos lógicos usados na implementação do circuito. Posteriormente, uma quantidade significativa de esforço é aplicada na minimização do número de inversores entre esses elementos lógicos. Por fim, essa representação lógica é mapeada para circuitos compostos somente por células NAND e NOR de duas entradas, juntamente com inversores. Células XOR e XNOR de duas entradas também podem ser consideradas. Como nós também consideramos circuitos sequenciais, flips-flops também são levados em consideração. Com o grande esforço de minimização de elementos lógicos, o circuito gerado pode conter algumas células com um fanout impraticável para os nodos tecnológicos atuais. Para corrigir essas ocorrências, nós propomos um algoritmo de limitação de fanout que considera tanto a área sendo utilizada pelas células quanto a sua profundidade lógica. Os algoritmos propostos foram aplicados sobre um conjunto de circuitos de benchmark e os resultados obtidos demonstram a utilidade dos métodos. Adicionalmente, algumas aplicações Morethan-Moore, tais como circuitos baseados em eletrônica impressa, também podem ser beneficiadas pela abordagem proposta. / This thesis introduces a set of graph-based algorithms for efficiently mapping VLSI circuits using simple cells. The proposed algorithms are concerned to, first, effectively minimize the number of logic elements implementing the synthesized circuit. Then, we focus a significant effort on minimizing the number of inverters in between these logic elements. Finally, this logic representation is mapped into a circuit comprised of only two-input NANDs and NORS, along with the inverters. Two-input XORs and XNORs can also be optionally considered. As we also consider sequential circuits in this work, flip-flops are taken into account as well. Additionally, with high-effort optimization on the number of logic elements, the generated circuits may contain some cells with unfeasible fanout for current technology nodes. In order to fix these occurrences, we propose an area-oriented, level-aware algorithm for fanout limitation. The proposed algorithms were applied over a set of benchmark circuits and the obtained results have shown the usefulness of the method. We show that efficient implementations in terms of inverter count, transistor count, area, power and delay can be generated from circuits with a reduced number of both simple cells and inverters, combined with XOR/XNOR-based optimizations. The proposed buffering algorithm can handle all unfeasible fanout occurrences, while (i) optimizing the number of added inverters; and (ii) assigning cells to the inverter tree based on their level criticality. When comparing with academic and commercial approaches, we are able to simultaneously reduce the average number of inverters, transistors, area, power dissipation and delay up to 48%, 5%, 5%, 5%, and 53%, respectively. As the adoption of a limited set of simple standard cells have been showing benefits for a variety of modern VLSI circuits constraints, such as layout regularity, routability constraints, and/or ultra low power constraints, the proposed methods can be of special interest for these applications. Additionally, some More-than-Moore applications, such as printed electronics designs, can also take benefit from the proposed approach.

Essa tese introduz um conjunto de algoritmos baseados em grafos para o mapeamento eficiente de circuitos VLSI com células simples. Os algoritmos propostos se baseiam em minimizar de maneira eficiente o número de elementos lógicos usados na implementação do circuito. Posteriormente, uma quantidade significativa de esforço é aplicada na minimização do número de inversores entre esses elementos lógicos. Por fim, essa representação lógica é mapeada para circuitos compostos somente por células NAND e NOR de duas entradas, juntamente com inversores. Células XOR e XNOR de duas entradas também podem ser consideradas. Como nós também consideramos circuitos sequenciais, flips-flops também são levados em consideração. Com o grande esforço de minimização de elementos lógicos, o circuito gerado pode conter algumas células com um fanout impraticável para os nodos tecnológicos atuais. Para corrigir essas ocorrências, nós propomos um algoritmo de limitação de fanout que considera tanto a área sendo utilizada pelas células quanto a sua profundidade lógica. Os algoritmos propostos foram aplicados sobre um conjunto de circuitos de benchmark e os resultados obtidos demonstram a utilidade dos métodos. Essa tese introduz um conjunto de algoritmos baseados em grafos para o mapeamento eficiente de circuitos VLSI com células simples. Os algoritmos propostos se baseiam em minimizar de maneira eficiente o número de elementos lógicos usados na implementação do circuito. Posteriormente, uma quantidade significativa de esforço é aplicada na minimização do número de inversores entre esses elementos lógicos. Por fim, essa representação lógica é mapeada para circuitos compostos somente por células NAND e NOR de duas entradas, juntamente com inversores. Células XOR e XNOR de duas entradas também podem ser consideradas. Como nós também consideramos circuitos sequenciais, flips-flops também são levados em consideração. Com o grande esforço de minimização de elementos lógicos, o circuito gerado pode conter algumas células com um fanout impraticável para os nodos tecnológicos atuais. Para corrigir essas ocorrências, nós propomos um algoritmo de limitação de fanout que considera tanto a área sendo utilizada pelas células quanto a sua profundidade lógica. Os algoritmos propostos foram aplicados sobre um conjunto de circuitos de benchmark e os resultados obtidos demonstram a utilidade dos métodos. Adicionalmente, algumas aplicações Morethan-Moore, tais como circuitos baseados em eletrônica impressa, também podem ser beneficiadas pela abordagem proposta. / This thesis introduces a set of graph-based algorithms for efficiently mapping VLSI circuits using simple cells. The proposed algorithms are concerned to, first, effectively minimize the number of logic elements implementing the synthesized circuit. Then, we focus a significant effort on minimizing the number of inverters in between these logic elements. Finally, this logic representation is mapped into a circuit comprised of only two-input NANDs and NORS, along with the inverters. Two-input XORs and XNORs can also be optionally considered. As we also consider sequential circuits in this work, flip-flops are taken into account as well. Additionally, with high-effort optimization on the number of logic elements, the generated circuits may contain some cells with unfeasible fanout for current technology nodes. In order to fix these occurrences, we propose an area-oriented, level-aware algorithm for fanout limitation. The proposed algorithms were applied over a set of benchmark circuits and the obtained results have shown the usefulness of the method. We show that efficient implementations in terms of inverter count, transistor count, area, power and delay can be generated from circuits with a reduced number of both simple cells and inverters, combined with XOR/XNOR-based optimizations. The proposed buffering algorithm can handle all unfeasible fanout occurrences, while (i) optimizing the number of added inverters; and (ii) assigning cells to the inverter tree based on their level criticality. When comparing with academic and commercial approaches, we are able to simultaneously reduce the average number of inverters, transistors, area, power dissipation and delay up to 48%, 5%, 5%, 5%, and 53%, respectively. As the adoption of a limited set of simple standard cells have been showing benefits for a variety of modern VLSI circuits constraints, such as layout regularity, routability constraints, and/or ultra low power constraints, the proposed methods can be of special interest for these applications. Additionally, some More-than-Moore applications, such as printed electronics designs, can also take benefit from the proposed approach.

Este trabalho introduz o conceito de cortes k e cortes kl sobre um circuito mapeado, em uma representação netlist. Esta nova abordagem é derivada do conceito de cortes k e cortes kl sobre AIGs (and inverter graphs), respeitando as diferenças entre essas duas formas de representar um circuito. As principais diferenças são: (1) o número de entradas em um nodo do grafo, e (2) a presença de inversores e buffers de forma explícita no circuito mapeado. Um algoritmo para enumerar cortes k e cortes kl é proposto e implementado. A principal motivação de usar cortes kl sobre circuitos mapeados é para realizar otimizações locais na síntese lógica de circuitos digitais. A principal contribuição deste trabalho é uma abordagem nova de remapeamento iterativo, utilizando cortes kl, reduzindo a área do circuito e respeitando as restrições de temporização do circuito. O uso de portas lógicas complexas pode potencialmente reduzir a área total de um circuito, mas elas precisam ser escolhidas corretamente de forma a manter as restrições de temporização do circuito. Ferramentas comerciais de síntese lógica trabalham melhor com portas lógicas simples e não são capazes de explorar eventuais vantagens em utilizar portas lógicas complexas. A abordagem proposta de remapeamento iterativo utilizando cortes kl é capaz de explorar uma quantidade maior de portas lógicas com funções lógicas diferentes, reduzindo a área do circuito, e mantendo as restrições de temporização intactas ao fazer uma checagem STA (análise temporal estática). Resultados experimentais mostram uma redução de até 38% de área na parte combinacional de circuitos para um subconjunto de benchmarks IWLS 2005, quando comparados aos resultados de ferramentas comerciais de síntese lógica. Outra contribuição deste trabalho é um novo modelo de rendimento (yield) para fabricação de circuitos integrados (IC) digitais, considerando problemas de resolução da etapa de litografia como uma fonte de diminuição do yield. O uso de leiautes regulares pode melhorar bastante a resolução da etapa de litografia, mas existe um aumento de área significativo ao se introduzir a regularidade. Esta é a primeira abordagem que considera o compromisso (trade off) de portas lógicas com diferentes níveis de regularidade e diferentes áreas durante a síntese lógica, de forma a melhorar o yield do projeto. A ferramenta desenvolvida de remapeamento tecnológico utilizando cortes kl foi modificada de forma a utilizar esse modelo de yield como função custo, de forma a aumentar o número de boas amostras (dies) por lâmina de silício (wafer), com resultados promissores. / This work introduces the concept of k-cuts and kl-cuts on top of a mapped circuit in a netlist representation. Such new approach is derived from the concept of k-cuts and klcuts on top of AIGs (and inverter graphs), respecting the differences between these two circuit representations. The main differences are: (1) the number of allowed inputs for a logic node, and (2) the presence of explicit inverters and buffers in the netlist. Algorithms for enumerating k-cuts and kl-cuts on top of a mapped circuit are proposed and implemented. The main motivation to use kl-cuts on top mapped circuits is to perform local optimization in digital circuit logic synthesis. The main contribution of this work is a novel iterative remapping approach using klcuts, reducing area while keeping the timing constraints attained. The use of complex gates can potentially reduce the circuit area, but they have to be chosen wisely to preserve timing constraints. Logic synthesis commercial design tools work better with simple cells and are not capable of taking full advantage of complex cells. The proposed iterative remapping approach can exploit a larger amount of logic gates, reducing circuit area, and respecting global timing constraints by performing an STA (static timing analysis) check. Experimental results show that this approach is able to reduce up to 38% in area of the combinational portion of circuits for a subset of IWLS 2005 benchmarks, when compared to results obtained from logic synthesis commercial tools. Another contribution of this work is a novel yield model for digital integrated circuits (IC) manufacturing, considering lithography printability problems as a source of yield loss. The use of regular layouts can improve the lithography, but it results in a significant area overhead by introducing regularity. This is the first approach that considers the tradeoff of cells with different level of regularity and different area overhead during the logic synthesis, in order to improve overall design yield. The technology remapping tool based on kl-cuts developed was modified in order to use such yield model as cost function, improving the number of good dies per wafer, with promising interesting results.

Circuitos baseados em portas lógicas de limiar (threshold logic gates – TLG) vem sendo estudados como uma alternativa promissora em relação ao tradicional estilo lógico CMOS, baseado no operadores AND e OR, na construção de circuitos integrados digitais. TLGs são capazes de implementar funções Booleanas mais complexas em uma única porta lógica. Diversos novos dispositivos, candidatos a substituir o transistor MOS, não se comportam como chaves lógicas e são intrinsicamente mais adequados à implementação de TLGs. Exemplos desses dispositivos são os memristores, spintronica, diodos de tunelamento ressonante (RTD), autômatos celulares quânticos (QCA) e dispositivos de tunelamento de elétron único (SET). Para o desenvolvimento de um fluxo de projeto de circuitos integrados baseados em lógica threshold, duas etapas são fundamentais: (1) identificar se uma dada função Booleana corresponde a uma função lógica threshold (TLF), isto é, pode ser implementada em um único TLG e computar os pesos desse TLG; (2) se uma função não é identificada como TLF, outro método de síntese lógica deve construir uma rede de TLGs otimizada que implemente a função. Este trabalho propõe métodos para atacar cada um desses dois problemas, e os resultados superam os métodos do estado-da-arte. O método proposto para realizar a identificação de TLFs é o primeiro método heurístico capaz de identificar todas as funções de cinco e seis variáveis, além de identificar mais funções que os demais métodos existentes quando o número de variáveis aumenta. O método de síntese de redes de TLGs é capaz de sintetizar circuitos reduzindo o número de portas TLG utilizadas, bem como a profundidade lógica e o número de interconexões. Essa redução é demonstrada através da síntese dos circuitos de avaliação da MCNC em comparação com os métodos já propostos na literatura. Tais resultados devem impactar diretamente na área e desempenho do circuito. / In this work, a novel method to synthesize digital integrated circuits (ICs) based on threshold logic gates (TLG) is proposed. Synthesis considering TLGs is quite relevant, since threshold logic has been revisited as a promising alternative to conventional CMOS IC design due to its suitability to emerging technologies, such as resonant tunneling diodes, memristors and spintronics devices. Identification and synthesis of threshold logic functions (TLF) are fundamental steps for the development of an IC design flow based on threshold logic. The first contribution is a heuristic algorithm to identify if a function can be implemented as a single TLG. Furthermore, if a function is not detected as a TLF, the method uses the functional composition approach to generate an optimized TLG network that implements the target function. The identification method is able to assign optimal variable weights and optimal threshold value to implement the function. It is the first heuristic algorithm that is not based on integer linear programming (ILP) that is able to identify all threshold functions with up to six variables. Moreover, it also identifies more functions than other related heuristic methods when the number of variables is more than six. Differently from ILP based approaches, the proposed algorithm is scalable. The average execution time is less than 1 ms per function. The second major contribution is the constructive process applied to generate optimized TLG networks taking into account multiple goals and design costs, like gate count, logic depth and number of interconnections. Experiments carried out over MCNC benchmark circuits show an average gate count reduction of 32%, reaching up to 54% of reduction in some cases, when compared to related approaches.

Circuitos baseados em portas lógicas de limiar (threshold logic gates – TLG) vem sendo estudados como uma alternativa promissora em relação ao tradicional estilo lógico CMOS, baseado no operadores AND e OR, na construção de circuitos integrados digitais. TLGs são capazes de implementar funções Booleanas mais complexas em uma única porta lógica. Diversos novos dispositivos, candidatos a substituir o transistor MOS, não se comportam como chaves lógicas e são intrinsicamente mais adequados à implementação de TLGs. Exemplos desses dispositivos são os memristores, spintronica, diodos de tunelamento ressonante (RTD), autômatos celulares quânticos (QCA) e dispositivos de tunelamento de elétron único (SET). Para o desenvolvimento de um fluxo de projeto de circuitos integrados baseados em lógica threshold, duas etapas são fundamentais: (1) identificar se uma dada função Booleana corresponde a uma função lógica threshold (TLF), isto é, pode ser implementada em um único TLG e computar os pesos desse TLG; (2) se uma função não é identificada como TLF, outro método de síntese lógica deve construir uma rede de TLGs otimizada que implemente a função. Este trabalho propõe métodos para atacar cada um desses dois problemas, e os resultados superam os métodos do estado-da-arte. O método proposto para realizar a identificação de TLFs é o primeiro método heurístico capaz de identificar todas as funções de cinco e seis variáveis, além de identificar mais funções que os demais métodos existentes quando o número de variáveis aumenta. O método de síntese de redes de TLGs é capaz de sintetizar circuitos reduzindo o número de portas TLG utilizadas, bem como a profundidade lógica e o número de interconexões. Essa redução é demonstrada através da síntese dos circuitos de avaliação da MCNC em comparação com os métodos já propostos na literatura. Tais resultados devem impactar diretamente na área e desempenho do circuito. / In this work, a novel method to synthesize digital integrated circuits (ICs) based on threshold logic gates (TLG) is proposed. Synthesis considering TLGs is quite relevant, since threshold logic has been revisited as a promising alternative to conventional CMOS IC design due to its suitability to emerging technologies, such as resonant tunneling diodes, memristors and spintronics devices. Identification and synthesis of threshold logic functions (TLF) are fundamental steps for the development of an IC design flow based on threshold logic. The first contribution is a heuristic algorithm to identify if a function can be implemented as a single TLG. Furthermore, if a function is not detected as a TLF, the method uses the functional composition approach to generate an optimized TLG network that implements the target function. The identification method is able to assign optimal variable weights and optimal threshold value to implement the function. It is the first heuristic algorithm that is not based on integer linear programming (ILP) that is able to identify all threshold functions with up to six variables. Moreover, it also identifies more functions than other related heuristic methods when the number of variables is more than six. Differently from ILP based approaches, the proposed algorithm is scalable. The average execution time is less than 1 ms per function. The second major contribution is the constructive process applied to generate optimized TLG networks taking into account multiple goals and design costs, like gate count, logic depth and number of interconnections. Experiments carried out over MCNC benchmark circuits show an average gate count reduction of 32%, reaching up to 54% of reduction in some cases, when compared to related approaches.