[論文レビュー] fiction: An Open Source Framework for the Design of Field-coupled Nanocomputing Circuits

Marcel Walter, Robert Wille+3 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2019

Quantum-Dot Cellular Automata参考文献 7被引用数 23

ひとこと要約

本論文は、QCA や NML などのフィールド結合ナノコンピューティング（FCN）回路の自動物理設計およびテクノロジーマッピングを目的とした、オープンソースの C++ フレームワークである fiction を提示する。効率的なグリッドベースのデータ構造を用い、既存の論理合成ツールと統合することで、SMT を用いた正確な（exact）およびヒューリスティックな（ortho）といった設定可能なアルゴリズムを介したスケーラブルで拡張可能なレイアウト生成を可能にし、QCADesigner などのツール向けにシミュレーション対応出力を提供する。

ABSTRACT

As a class of emerging post-CMOS technologies, Field-coupled Nanocomputing (FCN) devices promise computation with tremendously low energy dissipation. Even though ground breaking advances in several physical implementations like Quantum-dot Cellular Automata (QCA) or Nanomagnet Logic (NML) have been made in the last couple of years, design automation for FCN is still in its infancy and often still relies on manual labor. In this paper, we present an open source framework called fiction for physical design and technology mapping of FCN circuits. Its efficient data structures, state-of-the-art algorithms, and extensibility provide a basis for future research in the community.

研究の動機と目的

• フィールド結合ナノコンピューティング（FCN）技術、たとえば QCA や NML の分野における自動設計フローの不足に対処すること。
• FCN 回路における物理設計およびテクノロジーマッピングを対象とした、スケーラブルで拡張可能かつオープンソースのフレームワークを提供すること。
• クロック配列、配線ルーティング、同期化といったドメイン固有の制約の下での効率的なレイアウト生成を可能にすること。
• ベンチマーク、スクリプト、ABC などの既存の論理合成ツールとの統合を支援すること。
• 拡張可能なデータ構造およびアルゴリズムを通じて、将来の FCN 設計自動化分野の研究基盤を提供すること。

提案手法

• フレームワークは、メモリ使用効率とトポロジカルな分離を実現するため、Boost の grid_graph を基盤とするタイルベースのゲートレベル抽象化を採用している。
• 主なレイアウトアルゴリズムとして 2 種類をサポートする：'exact'（SMT を用いた、最小面積、設定可能な制約）、'ortho'（ヒューリスティック、高速、固定されたクロック配列）。
• テクノロジーマッピング段階では、QCA-ONE などのライブラリを用いてゲートレベルのレイアウトを物理セルレベルの実装にマッピングする。
• EPFL の論理合成ライブラリと統合され、ストアベースの CLI（alice）を介したコマンドラインおよびスクリプトベースのワークフローをサポートする。
• クロック配列（例：4フェーズ USE）は、コンactなテンプレートとして保存され、レイアウト全体にわたって外挿され、メモリオーバーヘッドを低減する。
• セルベースのレイアウトの直接構築を可能にし、同期化要素およびマルチワイヤタイルのサポートも行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フィールド結合ナノコンピューティング回路の物理設計を支援する、自動的かつ拡張可能なフレームワークをどのように設計できるか？
• RQ2 FCN 固有の制約、たとえばクロック配列やルーティングを満たす条件下で、効率的なレイアウト生成を可能にするデータ構造およびアルゴリズムは何か？
• RQ3 既存の論理合成ツール（ABC など）を、FCN 特有の設計フローに統合することで、人的作業をどの程度削減できるか？
• RQ4 SMT を用いたアプローチとヒューリスティックなアプローチが、統合されたフレームワーク内でどの程度共存できるか？
• RQ5 オープンソースのツールリングは、新興の FCN 技術分野における再現可能なベンチマークとシミュレーション対応出力をどの程度支援できるか？

主な発見

• fiction フレームワークは、SMT を用いた正確な（exact）およびヒューリスティックな（ortho）レイアウトアルゴリズムを用いて、FCN 回路の自動物理設計を成功裏に実現した。
• Boost の grid_graph データ構造の使用により、最小限のオーバーヘッドで大規模な FCN レイアウトをメモリ効率よく表現できるようになった。
• QCA-ONE ライブラリを用いたテクノロジーマッピングにより、QCADesigner 用のシミュレーション対応出力が生成された。
• ベンチマークおよびスクリプト機能により、ユーザーは統計的データの生成や設計構成の体系的比較が可能になった。
• フレームワークの拡張性により、標準 C++ インターフェースおよびコマンド拡張を介して、ナイトレルランダム配置などの新しいアルゴリズムの実装が開発者によって可能になった。
• ABC を介した論理合成と FCN 特有の物理設計の統合により、完全で自動化された設計フローの実現が示された。