[논문 리뷰] fiction: An Open Source Framework for the Design of Field-coupled Nanocomputing Circuits

Marcel Walter, Robert Wille외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 07.

Quantum-Dot Cellular Automata참고 문헌 7인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 QCA 및 NML과 같은 필드 결합 나노계산(FCN) 회로의 자동 물리적 설계 및 기술 매핑을 위한 오픈소스 C++ 프레임워크인 fiction을 제시한다. 이 프레임워크는 효율적인 격자 기반 데이터 구조를 사용하며 기존 논리 합성 도구와 통합되어 정확한(SMT 기반) 및 수동적인(휴리스틱) 알고리즘을 구성 가능하게 하여 확장성 있고 확장 가능한 레이아웃 생성을 가능하게 하며, QCADesigner와 같은 도구에서 사용 가능한 벤치마크, 스크립팅, 시뮬레이션 준비 출력을 지원한다.

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.

연구 동기 및 목표

• QCA 및 NML과 같은 필드 결합 나노계산(FCN) 기술을 위한 자동 설계 플로우 부족 문제를 해결하기 위해.
• FCN 회로의 물리적 설계 및 기술 매핑을 위한 확장 가능하고 확장 가능한 오픈소스 프레임워크를 제공하기 위해.
• 시계 계획, 배선 루팅, 동기화와 같은 도메인 특화 제약 조건 하에서 효율적인 레이아웃 생성을 가능하게 하기 위해.
• 벤치마킹, 스크립팅, ABC와 같은 기존 논리 합성 도구와의 통합을 지원하기 위해.
• 확장 가능한 데이터 구조 및 알고리즘을 통해 향후 FCN 설계 자동화 분야의 연구 기반을 마련하기 위해.

제안 방법

• 프레임워크는 메모리 사용 효율성과 위상적 분리성을 확보하기 위해 Boost의 grid_graph 기반 타일 기반 게이트 수준 추상화를 사용한다.
• 주요 레이아웃 알고리즘 두 가지를 지원한다: '정확한'(SMT 기반, 최소 면적, 구성 가능한 제약 조건) 및 '직각'(휴리스틱, 빠름, 고정된 시계 계획).
• 기술 매핑 단계는 QCA-ONE 등의 라이브러리를 사용하여 게이트 수준 레이아웃을 물리적 셀 수준의 구현으로 매핑한다.
• EPFL 논리 합성 라이브러리와 통합되며, 스토어 기반 CLI(alice)를 통해 명령줄 및 스크립트 기반 워크플로우를 지원한다.
• 시계 계획(예: 4단계 USE)은 압축된 템플릿으로 저장되어 레이아웃 전역으로 확장되어 메모리 오버헤드를 감소시킨다.
• 셀 기반 레이아웃의 직접 구축을 가능하게 하며, 동기화 요소 및 다중 와이어 타일을 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 필드 결합 나노계산 회로의 물리적 설계를 지원하는 자동화되고 확장 가능한 프레임워크를 설계할 수 있는가?
• RQ2 어떤 데이터 구조와 알고리즘이 시계 계획 및 루팅과 같은 FCN 고유의 제약 조건 하에서 효율적인 레이아웃 생성을 가능하게 하는가?
• RQ3 기존 논리 합성 도구가 신규 FCN 설계 플로우에 어떻게 통합되어 수동 작업을 줄일 수 있는가?
• RQ4 SMT 기반 및 휴리스틱 접근 방식이 통합된 프레임워크 내에서 얼마나 잘 공존할 수 있는가?
• RQ5 오픈소스 도구는 어떻게 새로운 FCN 기술에서 재현 가능한 벤치마킹과 시뮬레이션 준비 출력을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• fiction 프레임워크는 정확한(SMT 기반) 및 휴리스틱(ortho) 레이아웃 알고리즘을 모두 사용하여 FCN 회로의 자동 물리적 설계를 성공적으로 구현한다.
• Boost의 grid_graph 데이터 구조 사용으로 대규모 FCN 레이아웃을 최소한의 오버헤드로 메모리 효율적으로 표현할 수 있다.
• QCA-ONE 라이브러리를 사용하여 물리적 셀 수준 레이아웃으로의 기술 매핑을 지원하며, QCADesigner에서 사용 가능한 시뮬레이션 준비 출력을 생성한다.
• 벤치마킹 및 스크립팅 기능을 통해 사용자는 통계 데이터를 생성하고 설계 구성 간의 비교를 체계적으로 수행할 수 있다.
• 프레임워크의 확장성 덕분에 개발자들은 표준 C++ 인터페이스 및 명령어 확장 기반으로 새로운 알고리즘(예: 단순 무작위 배치)을 쉽게 구현할 수 있다.
• 논리 합성(ABC를 통한)과 FCN 특화 물리적 설계를 통합하여 완전하고 자동화된 설계 플로우의 실현 가능성을 입증한다.