With increasing data sets for processing, there is a requirement to build faster and smaller arithmetic circuits. One of the ways to improve the performance of higher order arithmetic units is to reduce the carry propagation levels. Multi-valued logic enables this by reducing the number of digits required to represent a range of numbers. Area reduction is also obtained through fewer operations and signals required to realise a function. Though theoretically multi-valued logic has these advantages, implementation of the multi-valued logic using CMOS has not been efficient. The main reason is because multi-valued logic is emulated in CMOS using binary switches. Two main approaches are followed in CMOS in implementing multi-valued logic using CMOS. Voltage mode logic, where the logic states are encoded using the node voltages suffer from low noise margins and limitation of radix due to the power supply. Current mode logic, where the branch currents are used to represent the logic levels suffer from high power consumption due to static current flow and requirement of restoration devices. The mindset of the post-CMOS approaches explored so far for multi-valued logic circuit design has been to replace the CMOS switches with their novel nano switches. Hence they too suffer from the same issues as CMOS implementation. Our value proposition is through the use of a truly multi-state device based on electron spin. Spin waves, which are a collection of electron spins of an atom enables multi-valued logic by allowing encoding information in the amplitude and phase of the wave.Another advantage of the spin wave fabric is that the computation is through wave propagation and interference which does not involve any movement of charge. This enables building low energy,smaller and faster multi-valued circuits. In this thesis, implementation of the basic building blocks of multi-valued logic using these novel spin wave based devices is shown. Building of arithmetic circuits like adders using these building blocks have also been demonstrated. To quantify the benefits of spin wave based multi-valued circuits, they are benchmarked with CMOS. For 32-bits, our projected comparisons show a 5X increased performance, 125X area improvement and 1717X power reduction for hexa-decimal spin wave based adders compared to binary CMOS. Similarly there is a 4X increase in performance of hexa-decimal SPWF multiplier compared to CMOS for 16 bits. Finally, we have implemented the I/O circuits for smooth interface between binary CMOS and multi-valued SPWF logic.

Orientador: Alexandre César Rodrigues da Silva / Resumo: Com a evolução da tecnologia, os CIs (Circuitos Integrados) com tecnologia CMOS (Complementary Metal-Oxide Semicondutor) têm se tornado cada vez menores e mais eficientes, entretanto, esta tecnologia está atingindo os limites físicos. Para minimizar ainda mais os circuitos digitais, novas tecnologias foram desenvolvidas como, por exemplo, a tecnologia QCA (Quantum-Dot Cellular Automata) que em conjunto com a lógica majoritária tem despertado o interesse da comunidade acadêmica no que se refere ao desenvolvimento de ferramentas de síntese e de otimização. Neste trabalho implementou-se o programa denominado MK4 que tem como proposta realizar a minimização de funções majoritárias com até quatro variáveis, utilizando as ideias contidas no mapa de Karnaugh. Os resultados obtidos pelo MK4 foram comparados com os do programa exact_mig. De 65.536 funções comparadas, 92,60% das funções geradas pelo programa MK4 tiveram custos iguais ou inferiores em relação as funções geradas pelo exact_mig. / Abstract: With the evolution of technology, the ICs (Integrated Circuits) with CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) technology has become smaller and more efficient. However, this technology is reaching its physical limits. To further minimize digital circuits, new technologies are presented such as, QCA (\textit{Quantum-Dot Cellular Automata}) technology that together with majority logic has aroused the interest of the academic community in the development of synthesis and optimization tools. In this work the program denominated MK4 was implemented, with the purpose of minimizing majority functions with up to four variables, using the Karnaugh map. The results obtained by MK4 were compared with those of the exact_mig program. From 65,536 functions compared, 92.60% of the functions generated by the MK4 had equal or lower costs in relation to the functions generated by the exact_mig. / Mestre

Orientador: Alexandre César Rodrigues da Silva / Resumo: Devido ao grande avanço da tecnologia e à miniaturização de circuitos, o estudo de sistemas lógicos que podem ser aplicados à nanotecnologia vem sendo realizado de forma abrangente. Para criação de circuitos nanoeletrônicos destacam-se a lógica reversível e a lógica majoritária. Neste trabalho é proposto o algoritmo MPC, utilizado para síntese de lógica majoritária. O algoritmo recebe uma tabela verdade como entrada e retorna uma função majoritária que cobre o mesmo conjunto de mintermos. A criação de uma função de saída válida é realizada a partir da combinação entre funções primitivas previamente otimizadas. Como critério de custo busca-se a geração de funções que tenham a menor quantidade de níveis, seguida da menor quantidade de operadores, inversores e literais. Nesse trabalho também é realizada a comparação do MPC com o algoritmo exact_mig, considerado o melhor algoritmo para síntese de funções majoritárias atualmente. O exact_mig codifica a síntese exata de funções utilizando a quantidade de níveis e operadores como critério de custo. O MPC utiliza dois critérios de custo adicionais, o número de inversores e o número de literais, com o objetivo de otimizar ainda mais os resultados gerados pelo exact_mig. Dessa forma, o MPC busca a síntese de funções que possuam a mesma quantidade de níveis e de operadores, mas com uma quantidade menor de inversores e literais. Testes mostraram que ambos os algoritmos retornam soluções ótimas para todas as funções com 3 variáveis de ent... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Due to technology advancements and circuits miniaturization, the study of logic systems that can be applied to nanotechnology has been progressing steadily. Among the creation of nanoeletronic circuits the reversible and majority logic stands out. This paper proposes the MPC (Majority Primitives Combination) algorithm, used for majority logic synthesis. The algorithm receives a truth table as input and returns a majority function that covers the same set of minterms. The formulation of a valid output function is made with the combination of previously optimized functions. As cost criteria the algorithm searches for a function with the minimum number of levels, followed by the minimum number of gates, inverters, and literals. In this paper it's also presented a comparison between the MPC and the exact_mig, currently considered the best algorithm for majority synthesis. The exact_mig encode the exact synthesis of majority functions using the number of levels and gates as cost criteria. The MPC considers two additional cost criteria, the number of inverters and the number of literals, with the goal to further improve exact_mig results. Therefore, the MPC aims to synthesize functions with the same amount of levels and gates, but with less inverters and literals. Tests have shown that both algorithms return optimal solutions for all functions with 3 input variables. For functions with 4 inputs, the MPC is able to further improve 66% of all functions and achieves equal results for ... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

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.

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.

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.