[论文解读] Partial Reversible Gates(PRG) for Reversible BCD Arithmetic

Himanshu Thapliyal, Hamid R. Arabnia+2 more|ArXiv.org|Nov 16, 2007

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 4被引用 4

一句话总结

本文提出部分可逆门（PRG），这是一种新颖的设计范式，通过仅在特定计算情形下满足可逆性，实现了门数更少、垃圾输出更少的可逆BCD算术。该方法优化了可逆逻辑电路在BCD加法和减法中的应用，与完全可逆实现相比，显著降低了资源开销。

ABSTRACT

IEEE 754r is the ongoing revision to the IEEE 754 floating point standard and a major enhancement to the standard is the addition of decimal format. Furthermore, in the recent years reversible logic has emerged as a promising computing paradigm having its applications in low power CMOS, quantum computing, nanotechnology, and optical computing. The major goal in reversible logic is to minimize the number of reversible gates and garbage outputs. Thus, this paper proposes the novel concept of partial reversible gates that will satisfy the reversibility criteria for specific cases in BCD arithmetic. The partial reversible gate is proposed to minimize the number of reversible gates and garbage outputs, while designing the reversible BCD arithmetic circuits.

研究动机与目标

• 解决完全可逆逻辑在BCD算术电路中资源开销过高的问题。
• 最小化可逆BCD加法器和减法器中可逆门和垃圾输出的数量。
• 提出一类新型门——部分可逆门（PRG），仅对与BCD运算相关的特定输入-输出映射保持可逆性。
• 通过降低复杂度，实现可逆BCD算术在低功耗和量子计算中的实际应用。

提出的方法

• 提出部分可逆门（PRG）作为混合方法，仅在BCD算术的特定输入-输出组合中强制实现可逆性。
• 使用PRG设计BCD加法器和减法器电路，以减少可逆门和垃圾输出的数量。
• 选择性地将PRG概念应用于BCD算术中可逆性对正确性至关重要的关键组件。
• 使用标准可逆逻辑设计原则（如Toffoli门和Fredkin门）作为构建模块，但通过基于PRG的分解优化其使用。
• 以门数和垃圾输出为指标评估电路复杂度，并将PRG设计与完全可逆实现进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 部分可逆性能否有效应用于BCD算术以减少资源开销？
• RQ2 PRG设计与完全可逆BCD电路相比，可逆门数量和垃圾输出有何差异？
• RQ3 PRG设计对可逆BCD加法器和减法器的整体复杂度和效率有何影响？
• RQ4 在哪些计算情形下，部分可逆性既能保持正确性，又能最小化资源使用？

主要发现

• 与完全可逆实现相比，基于PRG的设计在BCD算术电路中显著减少了可逆门和垃圾输出的数量。
• 通过仅在必要时强制实现可逆性，该方法实现了高效的可逆BCD加法和减法。
• 该方法通过最小化资源开销，展示了在低功耗和量子计算应用中的实际可行性。
• PRG框架实现了完全可逆性与电路复杂度之间的权衡，为BCD算术提供了一种可行的替代方案。