[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出了一种基于调度与分块的优化框架，用于绝热量子通量参量电路（AQFP），引入了一种线性时间算法，用于非冗余缓冲器与分路器的插入，并提出了一种新颖的分块门移动技术，以逃离局部极小值。该方法通过改进深度分配并联合处理路径平衡与分支约束，将缓冲器与分路器成本降低了最多39%。

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.

研究动机与目标

• 为解决AQFP电路中缓冲器与分路器成本过高的问题，其成本可能超过总区域与延迟的50%。
• 开发一种系统化的方法，实现非冗余缓冲器与分路器的插入，避免过度插入，同时满足AQFP的路径平衡与分支约束。
• 通过分块门移动实现深度重分配，超越局部重定时的全局优化。
• 通过受控实验评估不同技术假设（尤其是PI/PO平衡与分路器容量）对缓冲器成本的影响。
• 通过识别关键成本驱动因素，为AQFP寄存器与分路器设计的未来研究提供动力。

提出的方法

• 提出一种线性时间算法，用于计数并插入非冗余缓冲器与分路器，涵盖先前基于重定时的优化方法。
• 引入基于ASAP与ALAP调度的初始深度分配，以探索不同的起始点。
• 采用增量式深度调整方法，优化深度分配并减少缓冲器数量。
• 开发一种分块门移动技术，将一组门整体移动，以逃离优化空间中的局部极小值。
• 通过基于调度的优化，分配深度以最小化所需缓冲器与分路器的数量。
• 通过受控实验评估不同技术假设（如PI/PO平衡、分路器容量）的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在满足路径平衡与分支约束的前提下，如何最优地非冗余插入缓冲器与分路器？
• RQ2 在AQFP缓冲器与分路器插入中，超越局部重定时技术的进一步优化空间有多大？
• RQ3 对主输入与主输出平衡的假设在多大程度上影响AQFP电路中的缓冲器数量？
• RQ4 分路器容量在多大程度上影响所需缓冲器的数量，特别是对高扇出主输入而言？
• RQ5 将一组门（分块）整体移动是否能改善优化效果并帮助逃离AQFP电路调度中的局部极小值？

主要发现

• 所提出的优化流程相比基线ASAP调度，将缓冲器与分路器成本降低了最多39%。
• 主输入的路径平衡贡献了约30%的总缓冲器数量，而输出平衡贡献了约14%。
• 主输入的分支导致了约50%的总缓冲器数量，表明高扇出PI是主要成本驱动因素。
• 当PI不分支时，分路器容量（$s_b = 3$ 与 $s_b = 4$）的影响小于5%，表明高容量分路器并非必需。
• 当PI未平衡时，ALAP调度相比ASAP可将缓冲器数量减少20–30%，而分块移动可带来额外6–8%的减少。
• 本研究发现，PI平衡对缓冲器成本的影响大于PO平衡，凸显了在AQFP系统中优化寄存器设计的必要性。