Towards a Design Flow for Reversible Logic

توسعه ماشین‌های محاسباتی در دهه‌های گذشته موفقیت زیادی پیدا کرده است. اما کوچک سازی مداوم مدارهای مجتمع در آینده نزدیک به محدودیت های خود خواهد رسید. کوچک شدن اندازه ترانزیستورها و اتلاف توان، موانع اصلی در توسعه مدارهای کوچکتر و قدرتمندتر هستند.

منطق برگشت پذیر جایگزینی را ارائه می دهد که ممکن است در آینده بر بسیاری از این مشکلات غلبه کند. برای طراحی کم توان، منطق برگشت پذیر مزایای قابل توجهی را ارائه می دهد زیرا اتلاف توان صفر تنها در صورتی امکان پذیر خواهد بود که محاسبه برگشت پذیر باشد. علاوه بر این، محاسبات کوانتومی از پیشرفت‌ها در این زمینه سود می‌برد، زیرا هر مدار کوانتومی ذاتاً برگشت‌پذیر است و بنابراین نیاز به توصیف‌های برگشت‌پذیر دارد. با این حال، از آنجایی که منطق برگشت پذیر تحت محدودیت های خاصی قرار دارد (به عنوان مثال، fanout و بازخورد مستقیما مجاز نیستند)، طراحی مدارهای برگشت پذیر به طور قابل توجهی با طراحی مدارهای سنتی متفاوت است. تقریباً تمام مراحل در جریان طراحی (مانند سنتز، تأیید یا اشکال زدایی) باید دوباره توسعه داده شوند تا برای مدارهای برگشت پذیر نیز قابل اجرا شوند. اما تحقیق در منطق برگشت پذیر هنوز در آغاز است. هیچ جریان طراحی پیوسته ای تاکنون وجود ندارد.

در به سوی یک جریان طراحی برای منطق برگشت پذیر، مشارکت در جریان طراحی برای منطق برگشت پذیر ارائه شده است. این شامل روش های پیشرفته برای سنتز، بهینه سازی، تأیید و اشکال زدایی است. روش‌های رسمی مانند رضایت‌پذیری بولی و نمودارهای تصمیم در نتیجه مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند. با ترکیب تکنیک های ارائه شده در کتاب، می توان مدارهای برگشت پذیر را که نشان دهنده توابع بزرگ هستند، سنتز کرد. رویکردهای بهینه سازی تضمین می کند که مدارهای حاصل هزینه کمی دارند. در نهایت، روشی برای بررسی هم ارزی و اشکال زدایی خودکار اجازه می دهد تا نتایج به دست آمده را تأیید کرده و در صورت بروز خطا در طراحی به سرعت بخشیدن به جستجوی اشکالات کمک می کند. با ترکیب رویکردهای مربوطه، اولین جریان طراحی برای مدارهای برگشت پذیر با اندازه قابل توجه نتایج حاصل می شود.

The development of computing machines found great success in the last decades. But the ongoing miniaturization of integrated circuits will reach its limits in the near future. Shrinking transistor sizes and power dissipation are the major barriers in the development of smaller and more powerful circuits.

Reversible logic provides an alternative that may overcome many of these problems in the future. For low-power design, reversible logic offers significant advantages since zero power dissipation will only be possible if computation is reversible. Furthermore, quantum computation profits from enhancements in this area, because every quantum circuit is inherently reversible and thus requires reversible descriptions. However, since reversible logic is subject to certain restrictions (e.g. fanout and feedback are not directly allowed), the design of reversible circuits significantly differs from the design of traditional circuits. Nearly all steps in the design flow (like synthesis, verification, or debugging) must be redeveloped so that they become applicable to reversible circuits as well. But research in reversible logic is still at the beginning. No continuous design flow exists so far.

In Towards a Design Flow for Reversible Logic, contributions to a design flow for reversible logic are presented. This includes advanced methods for synthesis, optimization, verification, and debugging. Formal methods like Boolean satisfiability and decision diagrams are thereby exploited. By combining the techniques proposed in the book, it is possible to synthesize reversible circuits representing large functions. Optimization approaches ensure that the resulting circuits are of small cost. Finally, a method for equivalence checking and automatic debugging allows to verify the obtained results and helps to accelerate the search for bugs in case of errors in the design. Combining the respective approaches, a first design flow for reversible circuits of significant size results.