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.

La triple redundancia modular (TMR) es una técnica bien conocida de mitigación de fallos que proporciona una alta protección frente a fallos únicos pero con un gran coste en términos de área y consumo de potencia. Por esta razón, la redundancia parcial se suele aplicar para aligerar estos sobrecostes. En este contexto, la TMR aproximada (ATMR), que consisten en la implementación de la redundancia triple con versiones aproximadas del circuito a proteger, ha surgido en los últimos años como una alternativa a la replicación parcial, con la ventaja de obtener mejores soluciones de compromiso entre la cobertura a fallos y los sobrecostes. En la literatura ya han sido propuestas varias técnicas para la generación de circuitos aproximados, cada una con sus pros y sus contras. Este trabajo realiza un estudio de la técnica ATMR, evaluando el coste-beneficio entre el incremento de recursos (área) y la cobertura frente a fallos. La primera contribución es una nueva aproximación ATMR donde todos los módulos redundantes son versiones aproximadas del diseño original, permitiendo la generación de circuitos ATMR con un sobrecoste de área muy reducido, esta técnica se denomina Full-ATMR (ATMR completo o FATMR). El trabajo también presenta una segunda aproximación para implementar la ATMR de forma automática combinando una biblioteca de puertas aproximadas (ApxLib) y un algoritmo genético multi-objetivo (MOOGA). El algoritmo realiza una búsqueda ciega sobre el inmenso espacio de soluciones, optimizando conjuntamente la cobertura frente a fallos y el sobrecoste de área. Los experimentos comparando nuestra aproximación con las técnicas del estado del arte muestran una mejora de los trade-offs para diferentes circuitos de prueba (benchmark).

This thesis is concerned with the utilization of formal verification techniques in the design of the functional approximations of combinational circuits. We thoroughly study the existing formal approaches for the approximate equivalence checking and their utilization in the approximate circuit development. We present a new method that integrates the formal techniques into the Cartesian Genetic Programming. The key idea of our approach is to employ a new search strategy that drives the evolution towards promptly verifiable candidate solutions. The proposed method was implemented within ABC synthesis tool. Various parameters of the search strategy were examined and the algorithm's performance was evaluated on the functional approximations of multipliers and adders with operand widths up to 32 and 128 bits respectively. Achieved results show an unprecedented scalability of our approach.

Táto práca sa zaoberá využitím aproximovaných obvodov v neurónových sieťach so zámerom prínosu energetických úspor. K tejto téme už existujú štúdie, avšak väčšina z nich bola príliš špecifická k aplikácii alebo bola demonštrovaná v malom rozsahu. Pre dodatočné preskúmanie možností sme preto skrz netriviálne modifikácie open-source frameworku TensorFlow vytvorili platformu umožňujúcu simulovať používanie approximovaných obvodov na populárnych a robustných neurónových sieťach ako Inception alebo MobileNet. Bodom záujmu bolo nahradenie väčšiny výpočtovo náročných častí konvolučných neurónových sietí, ktorými sú konkrétne operácie násobenia v konvolučnách vrstvách. Experimentálne sme ukázali a porovnávali rozličné varianty a aj napriek tomu, že sme postupovali bez preučenia siete sa nám podarilo získať zaujímavé výsledky. Napríklad pri architektúre Inception v4 sme získali takmer 8% úspor, pričom nedošlo k žiadnemu poklesu presnosti. Táto úspora vie rozhodne nájsť uplatnenie v mobilných zariadeniach alebo pri veľkých neurónových sieťach s enormnými výpočtovými nárokmi.

Spotřeba a energetická efektivita se stává jedním z nejdůležitějších parametrů při návrhu počítačových systémů, zejména kvůli omezené kapacitě napájení u zařízení napájených bateriemi a velmi vysoké spotřebě energie rostoucích datacenter a cloudové infrastruktury. Současně jsou uživatelé ochotni do určité míry tolerovat nepřesné nebo chybné výpočty v roustoucím počtu aplikací díky nedokonalostem lidských smyslů, statistické povaze výpočtů, šumu ve vstupních datech apod. Přibližné počítání, nová oblast výzkumu v počítačovém inženýrství, využívá rozvolnění požadavků na funkčnost za účelem zvýšení efektivity počítačových systémů, pokud jde o spotřebu energie, výpočetní výkon či složitost. Aplikace tolerující chyby mohou být implementovány efektivněji a stále sloužit svému účelu se stejnou nebo mírně sníženou kvalitou. Ačkoli se objevují nové metody pro návrh přibližně počítajících výpočetních systémů, je stále nedostatek automatických návrhových metod, které by nabízely velké množství kompromisních řešení dané úlohy. Konvenční metody navíc často produkují řešení, která jsou daleko od optima. Evoluční algoritmy sice přinášejí inovativní řešení složitých optimalizačních a návrhových problémů, nicméně trpí několika nedostatky, např. nízkou škálovatelností či vysokým počtem generací nutných k dosažení konkurenceschopných výsledků. Pro přibližné počítání je vhodný zejména multikriteriální návrh, což existující metody většinou nepodporují. V této práci je představen nový automatický multikriteriální paralelní evoluční algoritmus pro návrh a aproximaci digitálních obvodů. Metoda je založena na kartézském genetickém programování, pro zvýšení škálovatelnosti byla navržena nová vysoce paralelizovaná implementace. Multikriteriální návrh byl založen na principech algoritmu NSGA-II. Výkonnost implementace byla vyhodnocena na několika různých úlohách, konkrétně při návrhu (přibližně počítajících) aritmetických obvodů, Booleovských funkcích s vysokou nelinearitou či přibližných logických obvodů pro tří-modulovou redundanci. V těchto úlohách bylo dosaženo význammých zlepšení ve srovnání se současnými metodami.