Applications of functional composition for CMOS and emerging technologies

Abstract

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.