Nový přístup k polymorfismu číslicových obvodů na úrovni hradel

Abstract

Před necelými dvaceti lety byl představen nekonvenční přístup k implementaci multifunkčních obvodů, tzv. polymorfní elektronika. Polymorfní elektronika umožňuje implementovat jedním obvodem dvě nebo více funkcí, přičemž aktuálně funkce závisí na stavu okolního prostředí obvodu. Klíčovými komponentami takových obvodů jsou polymorfní hradla. Od představení konceptu polymorfní elektroniky bylo publikováno několik desítek polymorfních hradel. Parametry většiny z nich však neumožňují jejich využití v reálných aplikacích. Bez dostatečného množství polymorfních hradel s dobrými parametry však nejspíše zůstane v aplikacích založených na multifunkčním chování nebo rekonfiguraci konvenční elektronika preferována před tou polymorfní. Tato disertační práce představuje nový přístup k polymorfní elektronice. Je založen na hradlech, jejichž funkce závisí na polaritě napájecích přívodů. Cílem této disertační práce je ukázat, že takový přístup umožňuje navrhnout hradla s výrazně lepšími parametry. Aby bylo možné systematicky navrhovat na úrovni tranzistorů takováto hradla, byla navržena evoluční metoda založená na kartézském genetickém programování (CGP). To umožnilo navrhnout několik sad efektivních polymorfních hradel založených jak na konvenčních MOSFET tranzistorech, tak na double-gate ambipolárních tranzistorech. Z těchto sad hradel byla vytvořena knihovna, která je v současné době volně dostupná pro ostatní vědce. Dále byla v této práci navržena řada složitějších obvodů založená na navržených hradlech. Na různých úrovních návrhu obvodů (hradla, RTL, cílová aplikace) je pak ukázáno, že navrhovaný polymorfismus na úrovni hradel představuje velké výhody v porovnání s předchozí generací polymorfních hradel, ale může být také konkurenceschopný nebo výrazně lepší než konvenční řešení takovýchto obvodů.

Nearly twenty years ago, a non-conventional approach to implementation of multifunctional circuits called polymorphic electronics was proposed. The concept of polymorphic electronics allows to implement two or more functions in a single circuit, whereas the currently selected function depends on the state of the circuit operating environment. Key components of such circuits are polymorphic gates. Since the introduction of polymorphic electronics, several dozens of polymorphic gates have been published. However, a large number of them do not meet reasonable parameters. As a result, perspective of their utilisation for real applications becomes rather bleak. This dissertation introduces a new approach to the polymorphic electronics. It is based on gates whose behaviour depends on polarity of dedicated power supply rails. The goal of this thesis is to show that such approach allows to design gates with significantly better parameters. In order to systematically design proposed gates at the transistor level, an evolutionary method based on Cartesian genetic programming was proposed. That allowed to design several sets of efficient polymorphic gates employing conventional MOSFET and emerging double-gate ambipolar transistors. These gate sets were arranged into a library which is currently freely available for other researchers. Furthermore, a number of more complex circuits based on proposed gates were designed in this thesis. It is demonstrated at various levels of circuit design (gate, RTL, application) that the proposed gate-level polymorphism provides significant advantages compared to the first generation of polymorphic gates, but it can also be competitive or even better compared to the conventional CMOS solutions.