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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.

The mainstream of current VLSI design and logic synthesis is based on traditional CMOS logic circuits. However, various new logic circuit design styles based on pass-transistor logic (PTL) have been proposed. The advantage of PTL is higher speed, smaller area and lower power for some particular circuits such as XOR. Since most current automatic logic synthesis tools (such as Synopsys Design Compiler) are based on conventional CMOS standard cell library, the corresponding logic minimization for CMOS logic cannot be directly employed to generate efficient PTL circuits. In this thesis, we develop a novel PTL synthesizer that can efficiently generate PTL-based circuits. We proposed a new synthesis method (hybrid PTL/CMOS Library design) that has multiple driving strengths and multiple threshold voltages to achieve better performance in area, speed, and power. Since PTL-based circuits are constructed by only a few basic PTL cells, the layouts in PTL cells can be easily updated as the process technology migrates rapidly in current Nano technology era. The proposed PTL logic synthesis flow employs the popular Synopsys Design Compiler (DC) to perform logic translation and minimization based on the standard cell library composed of PTL and CMOS logic cells. Thus, the PTL design flow can be easily embedded in the standard cell-based ASIC design flow.

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.

Cell-based design is a widely adopted design approach in current Application Specific Integrated Circuits (ASIC) and System-on-Chip (SOC) designs. A standard cell library is a collection of basic building blocks that can be used in cell-based design. The use of a standard cell library offers shorter design time, induces fewer errors in the design process, and is easier to maintain. Development of a cell library is laborious, prone to errors and even a small error on a library cell can possibly be disastrous due to repeated use of the cell in a design. In this thesis, we investigated ways to automate the process for development of a cell library, specifically TSMC 0.18-micron CMOS standard cell library. We examined various steps in the design flow to identify required repetitive tasks for individual cells. Those steps include physical verification, netlist extraction, cell characterization, and generation of Synopsys Liberty Format file. We developed necessary scripts in Skill, Tcl, Perl and Shell to automate those steps. Additionally, we developed scripts to automate the quality assurance process of the cell library, where quality assurance consists of verifying the entire ASIC design flow adopted for the Virginia Tech VLSI Telecommunications (VTVT) lab. Our scripts have been successfully used to develop our TSMC 0.18-micron library and to verify the quality assurance. The first version of the cell library was released on November 1, 2007 to universities worldwide, and as of March 2008, 20 universities have received the library from us. / Master of Science

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The mainstream of current VLSI design and logic synthesis is based on traditional CMOS logic circuits. However, in the past two decades, various new logic circuit design styles based on pass-transistor logic (PTL) have been proposed. Compared with CMOS circuits, these PTL-based circuits are claimed to have better results in area, speed, and power in some particular applications, such as adder and multiplier designs. Since most current automatic logic synthesis tools (such as Synopsys Design Compiler) are based on conventional CMOS standard cell library, the corresponding logic minimization for CMOS logic cannot be directly employed to generate efficient PTL circuits. In this dissertation, we develop two novel PTL synthesizers that can efficiently generate PTL-based circuits. One is based on pure PTL cells; the other mixes CMOS and PTL cells in the standard cell library to achieve better performance in area, speed, and power. Since PTL-based circuits are constructed by only a few basic PTL cells, the layouts in PTL cells can be easily updated to design large SoC systems as the process technology migrates rapidly in current Nano technology era. The proposed PTL logic synthesis flows employ the popular Synopsys Design Compiler (DC) to perform logic translation and minimization based on the standard cell library composed of PTL and CMOS cells, thus, the PTL design flow can be easily embedded in the standard cell-based ASIC design flow. In this dissertation, we also discuss PTL-based designs of some fundamental hardware components. Furthermore, the proposed PTL cell library is used to synthesize large processor systems in applications of computer arithmetic and 3D graphics.

Atualmente, as tecnologias disponíveis para a fabricação de dispositivos eletrônicos permitem um alto grau de integração de semicondutores. Entretanto, esta integração torna o projeto, a verificação e o teste de circuitos integrados mais difíceis. Normalmente, o projeto de circuitos integrados é consideravelmente afetado com a diminuição do tamanho dos dispositivos eletrônicos em tecnologias sub-micrônicas. Conseqüentemente, os projetistas adotam metodologias rígidas para produzir circuitos de alta qualidade em tempo razoável. Ferramentas de auxílio ao projeto de circuitos eletrônicos são utilizadas para automatizar algumas das etapas do projeto, ajudando o projetista a encontrar boas soluções rapidamente. Uma das tarefas mais difíceis no projeto de circuitos integrados é fazer com que o circuito respeite as restrições de atraso. Isto depende de várias etapas do processo de síntese. Em metodologias baseadas em bibliotecas de células, isto está diretamente relacionado ao algoritmo para mapeamento tecnológico e as células disponíveis na biblioteca. O atraso de cada célula depende do tamanho dos transistores e da topologia da rede de transistores. Isso determina as características de atraso, potência e área de uma célula. O mapeamento tecnológico define as principais características estruturais do circuito, principalmente em área, potência e atraso. A qualidade do circuito mapeado depende das células disponíveis na biblioteca de células. Este trabalho propõe um novo método para mapeamento com bibliotecas virtuais para redução de atraso em circuitos combinacionais. Ambos os algoritmos baseiam-se em uma topologia de células capaz de implementar funções Booleanas com cadeias mínimas de transistores em série. Os algoritmos reduzem o número de transistores em série do caminho mais longo do circuito, considerando que cada célula é implementada por uma rede de transistores que obedecem um número máximo de transistores em série. O número de transistores em série é calculado de forma Booleana, garantindo que este seja o número mínimo necessário para implementar a função lógica da célula. Os algoritmos estão integrados a um gerador de células que utiliza tal topologia e realiza o dimensionamento dos transistores. Ganhos significativos podem ser obtidos combinando estas duas técnicas em uma ferramenta para mapeamento tecnológico. / Currently, microelectronic technologies enable high degrees of semiconductor integration. However, this integration makes the design, verification, and test challenges more difficult. The circuit design is often the first area under assault by the effects of aggressive scaling in deep-submicron technologies. Therefore, designers have adopted strict methodologies to deal with the challenge of developing high quality designs on a reasonable time. Electronic Design Automation tools play an important role, automating some of the design phases and helping the designer to find a good solution faster. One of the hardest challenges of an integrated circuit design is to meet the timing requirements. It depends on several steps of the synthesis flow. In standard cell based flows, it is directly related to the technology mapping algorithm and the cells available in the library. The performance of a cell is directly related to the transistor sizing and the cell topology. It determines the timing, power and area characteristics of a cell. Technology mapping has a major impact on the structure of the circuit, and on its delay and area characteristics. The quality of the mapped circuit depends on the richness of the cell library. This thesis proposes two different approaches for library-free technology mapping aiming delay reduction in combinational circuits. Both algorithms rely on a cell topology able to implement Boolean functions using minimal transistors stacks. They reduce the overall number of serial transistors through the longest path, considering that each transistor network of a cell has to obey to a maximum admitted chain. The mapping algorithms are integrated to a cell generator that creates cells with minimal transistor stacks. This cell generator is also in charge of performing the transistor sizing. Significant gains can be obtained in delay due to both aspects combined into the proposed mapping tool.

Atualmente, as tecnologias disponíveis para a fabricação de dispositivos eletrônicos permitem um alto grau de integração de semicondutores. Entretanto, esta integração torna o projeto, a verificação e o teste de circuitos integrados mais difíceis. Normalmente, o projeto de circuitos integrados é consideravelmente afetado com a diminuição do tamanho dos dispositivos eletrônicos em tecnologias sub-micrônicas. Conseqüentemente, os projetistas adotam metodologias rígidas para produzir circuitos de alta qualidade em tempo razoável. Ferramentas de auxílio ao projeto de circuitos eletrônicos são utilizadas para automatizar algumas das etapas do projeto, ajudando o projetista a encontrar boas soluções rapidamente. Uma das tarefas mais difíceis no projeto de circuitos integrados é fazer com que o circuito respeite as restrições de atraso. Isto depende de várias etapas do processo de síntese. Em metodologias baseadas em bibliotecas de células, isto está diretamente relacionado ao algoritmo para mapeamento tecnológico e as células disponíveis na biblioteca. O atraso de cada célula depende do tamanho dos transistores e da topologia da rede de transistores. Isso determina as características de atraso, potência e área de uma célula. O mapeamento tecnológico define as principais características estruturais do circuito, principalmente em área, potência e atraso. A qualidade do circuito mapeado depende das células disponíveis na biblioteca de células. Este trabalho propõe um novo método para mapeamento com bibliotecas virtuais para redução de atraso em circuitos combinacionais. Ambos os algoritmos baseiam-se em uma topologia de células capaz de implementar funções Booleanas com cadeias mínimas de transistores em série. Os algoritmos reduzem o número de transistores em série do caminho mais longo do circuito, considerando que cada célula é implementada por uma rede de transistores que obedecem um número máximo de transistores em série. O número de transistores em série é calculado de forma Booleana, garantindo que este seja o número mínimo necessário para implementar a função lógica da célula. Os algoritmos estão integrados a um gerador de células que utiliza tal topologia e realiza o dimensionamento dos transistores. Ganhos significativos podem ser obtidos combinando estas duas técnicas em uma ferramenta para mapeamento tecnológico. / Currently, microelectronic technologies enable high degrees of semiconductor integration. However, this integration makes the design, verification, and test challenges more difficult. The circuit design is often the first area under assault by the effects of aggressive scaling in deep-submicron technologies. Therefore, designers have adopted strict methodologies to deal with the challenge of developing high quality designs on a reasonable time. Electronic Design Automation tools play an important role, automating some of the design phases and helping the designer to find a good solution faster. One of the hardest challenges of an integrated circuit design is to meet the timing requirements. It depends on several steps of the synthesis flow. In standard cell based flows, it is directly related to the technology mapping algorithm and the cells available in the library. The performance of a cell is directly related to the transistor sizing and the cell topology. It determines the timing, power and area characteristics of a cell. Technology mapping has a major impact on the structure of the circuit, and on its delay and area characteristics. The quality of the mapped circuit depends on the richness of the cell library. This thesis proposes two different approaches for library-free technology mapping aiming delay reduction in combinational circuits. Both algorithms rely on a cell topology able to implement Boolean functions using minimal transistors stacks. They reduce the overall number of serial transistors through the longest path, considering that each transistor network of a cell has to obey to a maximum admitted chain. The mapping algorithms are integrated to a cell generator that creates cells with minimal transistor stacks. This cell generator is also in charge of performing the transistor sizing. Significant gains can be obtained in delay due to both aspects combined into the proposed mapping tool.