本技术介绍了一种忆阻器电路蕴含逻辑的综合与优化方法。该方法首先利用ABC工具和基于节点感知成本函数的模拟退火算法,得到表示布尔函数的门级网表。随后,将网表中的逻辑门转换为忆阻器电路,并进行优化。该技术旨在提高电路性能,降低功耗,并优化电路设计。
背景技术
近年来,随着摩尔定律接近其极限,冯·诺伊曼架构面临着“内存墙”瓶颈,这阻碍了处理器性能并导致能耗增加。这一挑战促使人们对替代计算范式进行了广泛的研究,包括量子计算、光学计算和利用非易失性存储器的内存计算。其中,内存计算因其能够实现节能计算并克服冯·诺伊曼架构的局限性而受到广泛关注。该领域突出的非易失性存储器技术包括相变存储器(Phase-change Memory,PCM)和基于忆阻器的电阻式随机存取存储器(Resistive Random-access Memory, RRAM)等。内存计算可以应用于模拟和数字计算范式。模拟方法通常用于神经网络实现中的矩阵向量乘法(Matrix-vector Multiplication,MVM),其中乘法和累加(Multiplication and Accumulation,MAC)是基于固有的物理特性(如基尔霍夫定律)执行的。与传统的基于CMOS的计算平台相比,它显示出更优的能量和延迟性能。然而,模拟存内计算的精度是有限的,因此它不适合高精度、高要求的科学计算。相比之下,数字存内计算能够实现精确的逻辑计算,使其非常适合科学模拟。使用忆阻器开发了几种逻辑设计风格,包括物质蕴含(Implication,IMPLY)、忆阻器辅助逻辑(Memristor-aided Logic, MAGIC)等。值得注意的是,IMPLY范式因其高效紧凑的设计而特别引人注目,因为忆阻开关可以执行“有状态”逻辑操作,将逻辑和内存功能集成在同一设备中。
为了实现大规模的基于蕴含逻辑电路的设计,逻辑综合和设计自动化至关重要,因为它们有助于这些先进电路的高效和可扩展开发。对于标准数字逻辑,随着时间的推移,已经开发了各种综合工具。目前一个有效的工具是逻辑综合开源工具ABC,它执行布尔函数的工艺无关优化,然后进行工艺映射。然而,对于蕴含逻辑电路,忆阻器的存储特性减少了计算过程中的数据移动,但在存在多个扇出时,原始输入值被存储值覆盖,从而带来了计算顺序的挑战。传统的逻辑综合工具不是旨在解决这些问题,因此必须分析这些工具生成的结果是否存在上述扇出问题。区别于传统的CMOS电路,忆阻器有其特定的面积和延迟约束,其中面积被定义为输入和工作忆阻器的总数,延迟被定义为蕴含和FALSE操作所需的脉冲总数。因此,研究和开发专门针对忆阻器电路和蕴含逻辑的综合方法至关重要。
当前用于基于忆阻器电路的蕴含逻辑综合方法,利用重复生成正确扇出的逻辑或将结果临时复制到另一个忆阻器来解决扇出问题结构,在此基础上进一步寻找更优的无扇出问题的子电路。然而这种方法只专注于优化用于解决扇出问题的结构内的节点,即电路结构的优化。而没有考虑逻辑综合的其他方面,这使得解决电路扇出问题后,电路的操作脉冲数量和忆阻器的数量并不是最优的结果。
实现思路