Circuit designers require Computer-Aided Design (CAD) tools when compiling designs into Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) in order to achieve high quality results due to the complexity of the compilation tasks involved. Technology mapping is one critical step in the FPGA CAD flow. The final mapping result has significant impact on the subsequent steps of clustering, placement and routing, for the objectives of delay, area and power dissipation. While depth-optimal FPGA technology mapping can be solved in polynomial time, area minimization has proven to be NP-hard. Most modern state-of-the-art FPGA technology mappers are structural in nature; they are based on cut enumeration and use various heuristics to yield depth and area minimized solutions. However, the results produced by structural technology mappers rely strongly on the structure of the input netlists. Hence, it is common to apply additional heuristics after technology mapping to further optimize area and reduce the amount of structural bias while not harming depth. Recently, SAT-based Boolean matching has been used for post-mapping area minimization. However, SAT-based matching is computationally complex and too time consuming in practice. This thesis proposes an alternative Boolean matching approach based on NPN equivalence. Using a library of pre-computed topologies, the matching problem becomes as simple as performing NPN encoding followed by a hash lookup which is very efficient. In conjunction with Ashenhurst decomposition, the NPN-based Boolean matching is allowed to handle up to 10-input Boolean functions. When applied to a large set of designs, the proposed algorithm yields, on average, more than 3% reduction in circuit area without harming circuit depth. The priori generation of a library of topologies can be difficult; the potential difficulty in generating a library of topologies represents one limitation of the proposed algorithm.

Circuit designers require Computer-Aided Design (CAD) tools when compiling designs into Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) in order to achieve high quality results due to the complexity of the compilation tasks involved. Technology mapping is one critical step in the FPGA CAD flow. The final mapping result has significant impact on the subsequent steps of clustering, placement and routing, for the objectives of delay, area and power dissipation. While depth-optimal FPGA technology mapping can be solved in polynomial time, area minimization has proven to be NP-hard. Most modern state-of-the-art FPGA technology mappers are structural in nature; they are based on cut enumeration and use various heuristics to yield depth and area minimized solutions. However, the results produced by structural technology mappers rely strongly on the structure of the input netlists. Hence, it is common to apply additional heuristics after technology mapping to further optimize area and reduce the amount of structural bias while not harming depth. Recently, SAT-based Boolean matching has been used for post-mapping area minimization. However, SAT-based matching is computationally complex and too time consuming in practice. This thesis proposes an alternative Boolean matching approach based on NPN equivalence. Using a library of pre-computed topologies, the matching problem becomes as simple as performing NPN encoding followed by a hash lookup which is very efficient. In conjunction with Ashenhurst decomposition, the NPN-based Boolean matching is allowed to handle up to 10-input Boolean functions. When applied to a large set of designs, the proposed algorithm yields, on average, more than 3% reduction in circuit area without harming circuit depth. The priori generation of a library of topologies can be difficult; the potential difficulty in generating a library of topologies represents one limitation of the proposed algorithm.

A indústria de microeletrônica tem recorrido cada vez mais à metodologia de projeto baseado em células para fazer frente à crescente complexidade dos projetos de circuitos integrados digitais, uma vez que circuitos baseados em células são projetados mais rápida e economicamente que circuitos full-custom. Entretanto, apesar do progresso ocorrido na área de Electronic Design Automation, circuitos digitais baseados em células apresentam desempenho inferior ao de circuitos full-custom. Assim, torna-se interessante encontrar maneiras de se fazer com que circuitos baseados em células tenham desempenho próximo ao de circuitos full-custom, sem que isso implique elevação significativa nos custos do projeto. Com tal objetivo em vista, esta tese apresenta contribuições para um fluxo automático de otimização local para circuitos digitais baseados em células. Por otimização local se entende a otimização do circuito em pequenas janelas de contexto, onde são feitas otimizações considerando o contexto global. Deste modo, a otimização local pode incluir a detecção e isolamento de regiões críticas do circuito e a geração de redes lógicas e de redes de transistores de diferentes topologias que são dimensionadas de acordo com as restrições de projeto em questão. Como as otimizações locais atuam em um contexto reduzido, várias soluções podem ser obtidas considerando as restrições locais, entre as quais se escolhe a mais adequada para substituir o subcircuito (região crítica) original. A contribuição específica desta tese é o desenvolvimento de um método de dimensionamento de subcircuitos capaz de obter soluções com área ativa mínima, respeitando a capacitância máxima de entrada, a carga a ser acionada, e a restrição de atraso imposta. O método é baseado em uma formulação de logical effort, e a principal contribuição é calcular analiticamente a derivada da área para obter área mínima, ao invés de fazer a derivada do atraso para obter o atraso mínimo, como é feito na formulação tradicional do logical effort. Simulações elétricas mostram que o modelo proposto é muito preciso para uma abordagem de primeira ordem, uma vez que apresenta erros médios de 1,48% para dissipação de potência, 2,28% para atraso de propagação e 6,5% para os tamanhos dos transistores. / Microelectronics industry has been relying more and more upon cell-based design methodology to face the growing complexity in the design of digital integrated circuits, since cell-based integrated circuits are designed in a faster and cheaper way than fullcustom circuits. Nevertheless, in spite of the advancements in the field of Electronic Design Automation, cell-based digital integrated circuits show inferior performance when compared with full-custom circuits. Therefore, it is desirable to find ways to bring the performance of cell-based circuits closer to that of full-custom circuits without compromising the design costs of the former circuits. Bearing this goal in mind, this thesis presents contributions towards an automatic flow of local optimization for cellbased digital circuits. By local optimization, it is meant circuit optimization within small context windows, in which optimizations are done taking into account the global context. This way, local optimization may include the detection and isolation of critical regions of the circuit and the generation of logic and transistor networks; these networks are sized according to the existing design constraints. Since local optimizations act in a reduced context, several solutions may be obtained considering local constraints, out of which the fittest solution is chosen to replace the original subcircuit (critical region). The specific contribution of this thesis is the development of a subcircuit sizing method capable of obtaining minimum active area solutions, taking into account the maximum input capacitance, the output load to be driven, and the imposed delay constraint. The method is based on the logical effort formulation, and the main contribution is to compute the area derivative to obtain minimum area, instead of making the delay derivative to obtain minimum delay, as it is done in the traditional logical effort formulation. Electrical simulations show that the proposed method is very precise for a first order approach, as it presents average errors of 1.48% in power dissipation, 2.28% in propagation delay, and 6.5% in transistor sizes.

A indústria de microeletrônica tem recorrido cada vez mais à metodologia de projeto baseado em células para fazer frente à crescente complexidade dos projetos de circuitos integrados digitais, uma vez que circuitos baseados em células são projetados mais rápida e economicamente que circuitos full-custom. Entretanto, apesar do progresso ocorrido na área de Electronic Design Automation, circuitos digitais baseados em células apresentam desempenho inferior ao de circuitos full-custom. Assim, torna-se interessante encontrar maneiras de se fazer com que circuitos baseados em células tenham desempenho próximo ao de circuitos full-custom, sem que isso implique elevação significativa nos custos do projeto. Com tal objetivo em vista, esta tese apresenta contribuições para um fluxo automático de otimização local para circuitos digitais baseados em células. Por otimização local se entende a otimização do circuito em pequenas janelas de contexto, onde são feitas otimizações considerando o contexto global. Deste modo, a otimização local pode incluir a detecção e isolamento de regiões críticas do circuito e a geração de redes lógicas e de redes de transistores de diferentes topologias que são dimensionadas de acordo com as restrições de projeto em questão. Como as otimizações locais atuam em um contexto reduzido, várias soluções podem ser obtidas considerando as restrições locais, entre as quais se escolhe a mais adequada para substituir o subcircuito (região crítica) original. A contribuição específica desta tese é o desenvolvimento de um método de dimensionamento de subcircuitos capaz de obter soluções com área ativa mínima, respeitando a capacitância máxima de entrada, a carga a ser acionada, e a restrição de atraso imposta. O método é baseado em uma formulação de logical effort, e a principal contribuição é calcular analiticamente a derivada da área para obter área mínima, ao invés de fazer a derivada do atraso para obter o atraso mínimo, como é feito na formulação tradicional do logical effort. Simulações elétricas mostram que o modelo proposto é muito preciso para uma abordagem de primeira ordem, uma vez que apresenta erros médios de 1,48% para dissipação de potência, 2,28% para atraso de propagação e 6,5% para os tamanhos dos transistores. / Microelectronics industry has been relying more and more upon cell-based design methodology to face the growing complexity in the design of digital integrated circuits, since cell-based integrated circuits are designed in a faster and cheaper way than fullcustom circuits. Nevertheless, in spite of the advancements in the field of Electronic Design Automation, cell-based digital integrated circuits show inferior performance when compared with full-custom circuits. Therefore, it is desirable to find ways to bring the performance of cell-based circuits closer to that of full-custom circuits without compromising the design costs of the former circuits. Bearing this goal in mind, this thesis presents contributions towards an automatic flow of local optimization for cellbased digital circuits. By local optimization, it is meant circuit optimization within small context windows, in which optimizations are done taking into account the global context. This way, local optimization may include the detection and isolation of critical regions of the circuit and the generation of logic and transistor networks; these networks are sized according to the existing design constraints. Since local optimizations act in a reduced context, several solutions may be obtained considering local constraints, out of which the fittest solution is chosen to replace the original subcircuit (critical region). The specific contribution of this thesis is the development of a subcircuit sizing method capable of obtaining minimum active area solutions, taking into account the maximum input capacitance, the output load to be driven, and the imposed delay constraint. The method is based on the logical effort formulation, and the main contribution is to compute the area derivative to obtain minimum area, instead of making the delay derivative to obtain minimum delay, as it is done in the traditional logical effort formulation. Electrical simulations show that the proposed method is very precise for a first order approach, as it presents average errors of 1.48% in power dissipation, 2.28% in propagation delay, and 6.5% in transistor sizes.

A indústria de microeletrônica tem recorrido cada vez mais à metodologia de projeto baseado em células para fazer frente à crescente complexidade dos projetos de circuitos integrados digitais, uma vez que circuitos baseados em células são projetados mais rápida e economicamente que circuitos full-custom. Entretanto, apesar do progresso ocorrido na área de Electronic Design Automation, circuitos digitais baseados em células apresentam desempenho inferior ao de circuitos full-custom. Assim, torna-se interessante encontrar maneiras de se fazer com que circuitos baseados em células tenham desempenho próximo ao de circuitos full-custom, sem que isso implique elevação significativa nos custos do projeto. Com tal objetivo em vista, esta tese apresenta contribuições para um fluxo automático de otimização local para circuitos digitais baseados em células. Por otimização local se entende a otimização do circuito em pequenas janelas de contexto, onde são feitas otimizações considerando o contexto global. Deste modo, a otimização local pode incluir a detecção e isolamento de regiões críticas do circuito e a geração de redes lógicas e de redes de transistores de diferentes topologias que são dimensionadas de acordo com as restrições de projeto em questão. Como as otimizações locais atuam em um contexto reduzido, várias soluções podem ser obtidas considerando as restrições locais, entre as quais se escolhe a mais adequada para substituir o subcircuito (região crítica) original. A contribuição específica desta tese é o desenvolvimento de um método de dimensionamento de subcircuitos capaz de obter soluções com área ativa mínima, respeitando a capacitância máxima de entrada, a carga a ser acionada, e a restrição de atraso imposta. O método é baseado em uma formulação de logical effort, e a principal contribuição é calcular analiticamente a derivada da área para obter área mínima, ao invés de fazer a derivada do atraso para obter o atraso mínimo, como é feito na formulação tradicional do logical effort. Simulações elétricas mostram que o modelo proposto é muito preciso para uma abordagem de primeira ordem, uma vez que apresenta erros médios de 1,48% para dissipação de potência, 2,28% para atraso de propagação e 6,5% para os tamanhos dos transistores. / Microelectronics industry has been relying more and more upon cell-based design methodology to face the growing complexity in the design of digital integrated circuits, since cell-based integrated circuits are designed in a faster and cheaper way than fullcustom circuits. Nevertheless, in spite of the advancements in the field of Electronic Design Automation, cell-based digital integrated circuits show inferior performance when compared with full-custom circuits. Therefore, it is desirable to find ways to bring the performance of cell-based circuits closer to that of full-custom circuits without compromising the design costs of the former circuits. Bearing this goal in mind, this thesis presents contributions towards an automatic flow of local optimization for cellbased digital circuits. By local optimization, it is meant circuit optimization within small context windows, in which optimizations are done taking into account the global context. This way, local optimization may include the detection and isolation of critical regions of the circuit and the generation of logic and transistor networks; these networks are sized according to the existing design constraints. Since local optimizations act in a reduced context, several solutions may be obtained considering local constraints, out of which the fittest solution is chosen to replace the original subcircuit (critical region). The specific contribution of this thesis is the development of a subcircuit sizing method capable of obtaining minimum active area solutions, taking into account the maximum input capacitance, the output load to be driven, and the imposed delay constraint. The method is based on the logical effort formulation, and the main contribution is to compute the area derivative to obtain minimum area, instead of making the delay derivative to obtain minimum delay, as it is done in the traditional logical effort formulation. Electrical simulations show that the proposed method is very precise for a first order approach, as it presents average errors of 1.48% in power dissipation, 2.28% in propagation delay, and 6.5% in transistor sizes.

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