Evoluční syntéza komplexních číslicových obvodů
Loading...
Date
Authors
Kocnová, Jitka
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta informačních technologií
Abstract
Tato dizertační práce prezentuje výzkum v oblasti evoluční optimalizace komplexních kombinačních obvodů. Práce začíná studiem existujících konvenčních i nekonvenčních přístupů k optimalizaci kombinačních obvodů. Byly analyzovány vlastnosti a problémy spjaté s nejčastěji používanými interními reprezentacemi v současných syntézních nástrojích. Dále byly představeny Booleovské sítě a možnosti jejich škálování. Pozornost byla také věnovaná evoluční syntéze logických obvodů, s důrazem na CGP (Kartézské Genetické Programovaní). Byl navržen nový přístup k evoluční optimalizaci kombinačních obvodu. Extrahováním částí obvodu o vhodném poctu hradel a jejich následnou optimalizaci pomoci CGP bylo dosazeno vetší redukce poctu hradel v obvodech, než tomu bylo při optimalizaci celých obvodu pomoci CGP. K extrakci částí obvodu byly navrženy tři metody. První je založena na algoritmu vytvářejícím tzv. řezy. Tato metoda byla schopna optimalizovat každý testovací kombinační obvod a ve většině případu překonala výsledky dosažené optimalizaci celých obvodu pomoci CGP. Druha extrakční metoda je inspirovaná windowing algoritmem, díky čemuž je možné do vyberu zahrnout i hradla nacházející se ve směru výstupu kořenového hradla vyberu, a nejen hradla ve směru jeho vstupu. Tato metoda výrazně vylepšila výsledky dosažené pomoci metody založené na tvorbě řezu. Metoda taktéž umožňuje, narozdíl od metody první, extrahovat část obvodu z jakéhokoli jeho místa, aniž by došlo k vyberu příliš malého poctu hradel nevhodného k následné optimalizaci. Třetí metoda je založena na principu vyhledávaní rekonvergentnich cest v obvodech. Přítomnost rekonvergentni cesty ve vybrané části obvodu zvyšuje pravděpodobnost přítomnosti redundantních hradel a tím i vyšší efektivitu navrhovaného optimalizačního procesu. Byla také navržena a implementována evoluční optimalizační metoda zohledňující zpozdění obvodu. Touto metodou je možné extrahovat a optimalizovat část obvodu, aniž by celkové zpozděni obvodu přesáhlo požadovanou mez. Pomoci principu lokální evoluční optimalizace bylo dosaženo lepších výsledků než při evoluční optimalizaci celých obvodů, čímž byla potvrzena hypotéza. Je vsak důležité vhodné zvolit umístěni kořenového hradla vyberu, vzhledem k jeho pozici v obvode. Taktéž je třeba vhodné zvolit nastaveni parametru evoluce, extrakce i optimalizační metody jako celku (např. počet hradel v extrahovaných částech obvodu, počet CGP generaci a počet částí obvodu, které projdou optimalizaci).
The research presented in this thesis focuses on the field of evolutionary optimization of complex combinational circuits. The work begins with a study of the existing conventional and nonconventional approaches to the optimization of combinational circuits. Features and issues connected with the internal circuit representations commonly used by present synthesis tools. Boolean networks and their scalability were discussed. Attention was also paid to the evolutionary synthesis, with focus on the CGP (Cartesian Genetic Programming). A new approach to the evolutionary optimization of combinational circuits was proposed. By extracting a sub-circuit containing a suitable number of gates of the original circuit and by optimizing this sub-circuit by the CGP, it was possible to reduce the number of gates of the circuit significantly more than by optimizing the whole circuit by the CGP. For the extraction phase, three methods were proposed. The first method is based on the cut computing algorithm. This method was able to reduce the number of gates of every benchmark circuit and it overcame the results of the globally working CGP in majority of cases. The second method is based on the windowing algorithm. This allows to expand the sub-circuit selection with the gates in the output direction of the root node of the selection and not only with the gates in its input direction. This method significantly improved the results obtained by using the cut-based method. It also overcame the issue of the cut-based method with selecting the sub-circuit near the primary inputs of the circuit and thus creating a selection too small for a subsequent optimization. The third method is based on the reconvergent-paths selection algorithm. The existence of a reconvergent-path in the sub-circuit increases the probability of presence of don't care nodes and thus the higher efficiency of the optimization. Also, an evolutionary optimization method targeting the non-uniform delay on the sub-circuit's inputs. By using this method, it is possible to extract and optimize a sub-circuit without an influence on the delay of the whole circuit. By applying the principle of local evolutionary optimization, a significantly better gate reduction of the circuits was achieved then by applying the CGP optimization on whole cir- cuits. However, it is important to choose the sub-circuit's root node carefuly with respect to its position in the circuit. Also, it is necessary to set the parameters of evolution, extraction and the whole optimization process carefully (e.g. the number of gates in each sub-circuit, number of CGP generations and number of sub-circuits that should be optimized).
The research presented in this thesis focuses on the field of evolutionary optimization of complex combinational circuits. The work begins with a study of the existing conventional and nonconventional approaches to the optimization of combinational circuits. Features and issues connected with the internal circuit representations commonly used by present synthesis tools. Boolean networks and their scalability were discussed. Attention was also paid to the evolutionary synthesis, with focus on the CGP (Cartesian Genetic Programming). A new approach to the evolutionary optimization of combinational circuits was proposed. By extracting a sub-circuit containing a suitable number of gates of the original circuit and by optimizing this sub-circuit by the CGP, it was possible to reduce the number of gates of the circuit significantly more than by optimizing the whole circuit by the CGP. For the extraction phase, three methods were proposed. The first method is based on the cut computing algorithm. This method was able to reduce the number of gates of every benchmark circuit and it overcame the results of the globally working CGP in majority of cases. The second method is based on the windowing algorithm. This allows to expand the sub-circuit selection with the gates in the output direction of the root node of the selection and not only with the gates in its input direction. This method significantly improved the results obtained by using the cut-based method. It also overcame the issue of the cut-based method with selecting the sub-circuit near the primary inputs of the circuit and thus creating a selection too small for a subsequent optimization. The third method is based on the reconvergent-paths selection algorithm. The existence of a reconvergent-path in the sub-circuit increases the probability of presence of don't care nodes and thus the higher efficiency of the optimization. Also, an evolutionary optimization method targeting the non-uniform delay on the sub-circuit's inputs. By using this method, it is possible to extract and optimize a sub-circuit without an influence on the delay of the whole circuit. By applying the principle of local evolutionary optimization, a significantly better gate reduction of the circuits was achieved then by applying the CGP optimization on whole cir- cuits. However, it is important to choose the sub-circuit's root node carefuly with respect to its position in the circuit. Also, it is necessary to set the parameters of evolution, extraction and the whole optimization process carefully (e.g. the number of gates in each sub-circuit, number of CGP generations and number of sub-circuits that should be optimized).
Description
Citation
KOCNOVÁ, J. Evoluční syntéza komplexních číslicových obvodů [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta informačních technologií. .
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Výpočetní technika a informatika
Comittee
prof. Dr. Ing. Jan Černocký (předseda)
doc. Ing. Petr Fišer, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Viera Stopjaková, Ph.D. (člen)
doc. RNDr. Petr Švenda, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Václav Přenosil, CSc. (člen)
Date of acceptance
Defence
The student presented the goals and results, which he achieved within the solution of the dissertation.
The student has competently answered the questions of the committee members and reviewers.
The discussion is recorded on the discussion sheets, which are attached to the protocol. Number of discussion sheets: 6
The committee has agreed unanimously that the student has fulfilled requirements for being awarded the academic title Ph.D.
The committee recommends awarding the thesis the deans prize.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení