多数逻辑代数理论及其逻辑综合方法研究

Efficiency and innovation of Electronic Design Automation (EDA) tools are of paramount importance to Integrated Circuits (ICs) industry. Compared with manufacturing technology, the development of EDA tools is lagging behind. The project will focus on the research on majority-logic algebra theory and its logic synthesis methodology, which is inspired by two considerations. First, technological innovations on new devices emerge in a large number but with a shortage of related EDA tools. Second, there is an urgent need to push forward current EDA tools for CMOS technology, due to the ever-increasing IC design complexity. Therefore, we intend to build the basic theories of majority-logic, by exploiting Boolean logic identities and heterogeneous logic representations. And then circuit area and performance optimization methods are developed based on these theories. Finally, the proposed methods will be applied to arithmetic function synthesis, FPGA carry chain synthesis, and Quantum Cellar Automata (QCA) design. The proposed research has an impact both on logic synthesis theory and IC design technique, and has important scientific and practical significance.

电子设计自动化(EDA)工具的效率和创新关系到整个集成电路产业的发展。相比于制造工艺的发展速度，EDA工具的发展相对滞后。针对后CMOS时代的新器件不断涌现而相应EDA工具缺乏，而主流CMOS工艺EDA工具因芯片设计复杂性需要推进这一问题，本项目拟发展基于多数逻辑的逻辑综合理论和方法。通过研究布尔代数恒等式、多数逻辑代数基本定理、多数逻辑的异构图形表示来建立多数逻辑代数基础理论；通过研究多数逻辑函数分解、基于多数逻辑代数理论发展电路的面积和速度优化方法；将提出的多数逻辑的综合与优化理论及方法应用于算术运算函数综合、FPGA进位链综合和量子元胞自动机(QCA)电路设计。项目的研究成果，对于促进我国逻辑综合理论和方法的发展，提升集成电路设计技术，具有重要的科学意义和现实意义。

针对后CMOS时代的新器件不断涌现而相应EDA工具缺乏，而主流CMOS工艺EDA工具因芯片设计复杂性需要推进这一问题，本项目开展了多数逻辑代数理论及其逻辑综合方法研究，通过理论研究，发展优化方法，然后应用于电路设计。理论方面，研究了多数逻辑函数分解的判定条件和函数构成方法，以及任意函数采用5输入多数逻辑门的精确综合方法，得到更加紧凑的逻辑图形表示，实验结果显示其对FPGA查找表映射、量子电路综合均具有较好优化效果。优化方法方面，通过研究布尔恒等式和代数系统，发展出XMG(XOR-Majority Graph)的逻辑重写方法，能实现面积、时延、反相器数的单/多目标优化。应用方面，开展了基于多数逻辑和XMG表示的算术电路、随机电路、近似计算、忆阻蕴涵电路、量子元胞自动机(QCA)设计优化，结果表明所提出的设计因在网表级具有更少的节点个数、逻辑层次，给相关应用带来面积和时延上的优化。项目执行期间共发表/录用学术论文37篇，其中期刊论文23篇(SCI检索12篇)，会议论文14篇(获最佳论文奖1次)。参加国际会议宣读论文15人次，申请/授权发明专利7项，自主培养8名硕士研究生，开源了自研的逻辑综合工具。项目负责人受邀在国内外会议做邀请报告10次，相关技术通过横向项目合作的形式转化给企业，对促进国产EDA工具的开发有积极作用。