[論文レビュー] Irredundant Buffer and Splitter Insertion and Scheduling-Based Optimization for AQFP Circuits

Siang-Yun Lee, Heinz Riener+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2021

Low-power high-performance VLSI design参考文献 11被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、断熱的量子フラックスパラメトロン（AQFP）回路のスケジューリングおよびチャンクベースの最適化フレームワークを提案し、冗長でないバッファおよびスプリッタ挿入の線形時間アルゴリズムと、局所的最小値から脱出するための新規なチャンク化されたゲート移動技術を導入している。本手法は、深さ割り当ての改善とパスバランスとファンアウト分岐制約の共同処理により、バッファおよびスプリッタコストを最大39％削減する。

ABSTRACT

The adiabatic quantum-flux parametron (AQFP) is a promising energy-efficient superconducting technology. Before technology mapping, additional buffer and splitter cells need to be inserted into AQFP circuits to fulfill two special constraints: (1) Input signals to a logic gate need to arrive at the same time, thus shorter paths need to be delayed with buffers. (2) The output signal of a logic gate has to be actively branched with splitters if it drives multiple fanouts. Buffers and splitters largely increase the area and delay in AQFP circuits. Naïve buffer and splitter insertion and light-weight optimization using retiming techniques have been used in related works, and it is not clear how much space there is for further optimization. In this paper, we develop (a) a linear-time algorithm to insert buffers and splitters irredundantly, and (b) optimization methods by scheduling and by moving groups of gates, called chunks, together. Experimental results show a reduction of up to 39% on buffer and splitter cost. Moreover, as the technology is still developing and assumptions on the physical constraints are not clear yet, we also discuss the impacts of different assumptions with experimental results to motivate future research on AQFP register design.

研究の動機と目的

• バッファおよびスプリッタのコストが総面積および遅延の50％を超えるAQFP回路における高コスト問題に対処すること。
• AQFPのパスバランスとファンアウト分岐制約を満たしつつ、過剰挿入を回避する体系的な冗長でないバッファおよびスプリッタ挿入手法を開発すること。
• ローカルリタイミングを超えるグローバル最適化を実現するため、チャンク化されたゲート移動によって深さ再割り当てを可能にすること。
• 技術的仮定（特にPI／POバランスとスプリッタ容量）の変動がバッファコストに与える影響を評価すること。
• PI／POバランスとスプリッタ容量の変動がバッファコストに与える影響を評価すること。

提案手法

• 冗長でないバッファおよびスプリッタのカウントと挿入のための線形時間アルゴリズムを提案し、従来のリタイミングに基づく最適化を統合する。
• 異なる初期点を探索するため、ASAPおよびALAPスケジューリングを用いた初期深さ割り当てを導入する。
• 段階的な深さ調整法を採用して深さ割り当てを精緻化し、バッファ数を削減する。
• 最適化の局所的最小値から脱出できるように、ゲートのグループ（チャンク）をまとめて移動する手法を提案する。
• スケジューリングに基づく最適化を用いて、必要なバッファおよびスプリッタ数を最小化する深さ割り当てを実現する。
• 制御された実験を通じて、異なる技術的仮定（例：PI／POバランス、スプリッタ容量）の影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パスバランスとファンアウト分岐制約を満たしつつ、AQFP回路において冗長でない方法でバッファおよびスプリッタを挿入する最適な方法は何か？
• RQ2 AQFPのバッファおよびスプリッタ挿入において、ローカルリタイミング手法を超えてさらにどの程度の最適化が可能か？
• RQ3 プライマリインプットおよびアウトプットのバランスに関する仮定が、AQFP回路におけるバッファ数にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 スプリッタ容量は、特に高ファンアウトのプライマリインプットにおいて、必要なバッファ数にどのように影響するか？
• RQ5 ゲートのグループ（チャンク）をまとめて移動させることで、AQFP回路スケジューリングにおける最適化の改善と局所的最小値からの脱出が可能か？

主な発見

• 提案された最適化フローは、ベースラインのASAPスケジューリングと比較して、バッファおよびスプリッタコストを最大39％削減した。
• プライマリインプットのパスバランスは、総バッファ数のおよそ30％を占め、アウトプットバランスは約14％を占める。
• プライマリインプットの分岐は、総バッファ数のおよそ50％を占め、高ファンアウトPIが主なコストドライバーであることを示している。
• PIが分岐されていない場合、スプリッタ容量（$s_b = 3$ 対 $s_b = 4$）の影響は5％未満であり、高容量スプリッタが必須でないことを示唆している。
• PIがバランスされていない場合、ALAPスケジューリングはASAPと比較してバッファ数を20–30％削減し、チャンク化された移動によりさらに6–8％の削減が得られた。
• 本研究では、PIバランスがPOバランスよりもバッファコストに大きな影響を及ぼすことが明らかになったため、AQFPシステムにおける最適化されたレジスタ設計の必要性が強調された。