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Exact Synthesis of Majority-Inverter Graphs and Its Applications

Résumé

We propose effective algorithms for exact synthesis of Boolean logic networks using satisfiability modulo theories (SMT) solvers. Since exact synthesis is a difficult problem, it can only be applied efficiently to very small functions, having up to 6 variables. Key in our approach is to use majority-inverter graphs as underlying logic representation as they are simple (homogeneous logic representation) and expressive (contain And/Or-inverter graphs) at the same time. This has a positive impact on the problem formulation: it simplifies the encoding as SMT constraints and also allows for various techniques to break symmetries in the search space due to the regular data structure. Our algorithm optimizes with respect to the MIG’s size or depth and uses different ways to encode the problem and several methods to improve solving time, with symmetry breaking techniques being the most effective ones. We discuss several applications of exact synthesis and motivate them by experiments on a set of large arithmetic benchmarks. Using the proposed techniques, we are able to improve both area and delay after LUT-based technology mapping beyond the current results achieved by state-of-the-art logic synthesis algorithms.

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Concepts associés (33)
Synthèse logique
En électronique, la synthèse logique (RTL synthesis) est la traduction d'une forme abstraite de description du comportement d'un circuit (voir Register Transfer Level) en sa réalisation concrète sous forme de portes logiques. Le point de départ peut être un langage de description de matériel comme VHDL ou Verilog, un schéma logique du circuit. D'autres sources sont venues s'additionner depuis les années 2010, comme l'utilisation de la programmation en OpenCL. Le point d'arrivée peut être un code objet pour un CPLD ou FPGA ou la création d'un ASIC.
Satisfiability modulo theories
En informatique et en logique mathématique, un problème de satisfiabilité modulo des théories (SMT) est un problème de décision pour des formules de logique du premier ordre avec égalité (sans quantificateurs), combinées à des théories dans lesquelles sont exprimées certains symboles de prédicat et/ou certaines fonctions. Des exemples de théories incluent la théorie des nombres réels, la théorie de l’arithmétique linéaire, des théories de diverses structures de données comme les listes, les tableaux ou les tableaux de bits, ainsi que des combinaisons de celles-ci.
Satisfaisabilité
En logique mathématique, la satisfaisabilité ou satisfiabilité et la validité sont des concepts élémentaires de sémantique. Une formule est satisfaisable s'il est possible de trouver une interprétation (modèle), une façon d'interpréter tous les éléments constitutifs de la formule, qui rend la formule vraie. Une formule est universellement valide, ou en raccourci valide si, pour toutes les interprétations, la formule est vraie.
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