[00150112]基于混合极性Reed-Muller展开的可逆逻辑电路综合方法研究

集成电路（IC）设计在集成度和规模上取得巨大发展的同时,其日益凸显的能耗问题已成为IC行业亟待解决的迫切问题。按照Moore定律,一些研究者认为计算机芯片中的单个晶体管尺寸到2020年左右可能会达到原子量级（10-9-10-10m）,其芯片单位面积中晶体管产生的热量将制约高性能芯片的设计甚至使芯片局部融化,同时芯片也将因量子效应的干扰出现逻辑错误,从而使硅芯片的发展走到极限。根据Landauer发现,计算机中的热量产生有两个原因：1)现有集成电路制造工艺和材料无法实现理想开关模型;2)计算逻辑上的不可逆性,其中,芯片能耗主要源于后者,降低能耗的关键是将不可逆操作变为可逆操作。随后Bennett考虑了可逆计算的问题,对所有不可逆的通用图灵机（指经典计算机）,都可以找到一个对应的可逆图灵机,并证明只要是可逆逻辑门构造的网络,其能量接近零损耗是可能的。 可逆逻辑及相关问题的研究源于对可逆计算理论的探索。可逆计算不仅能解决计算机面临的能耗问题,而且为其他领域的能耗问题开辟了一个新的解决思路。一方面,可逆逻辑电路的研究对量子计算机的实现具有重要的基础性意义,由于传统逻辑电路无法实现量子计算的可逆性,迫切需要能进行可逆操作的量子可逆逻辑电路;另一方面,传统不可逆电路由于信息的擦除而导致了能量的消耗,用可逆的设计方法级联可逆逻辑门网络,把传统逻辑电路改造成具有可逆操作的可逆逻辑电路,没有因信息丢失而产生热耗散,从理论上解决集成电路芯片的发热问题;在加密系统、数字信号处理及通信系统领域中,其数据转换过程不存在对原始信息的擦除,采用可逆逻辑电路实现系统是非常适合的;在现代科学技术领域如纳米技术、光子计算、DNA计算、热力学技术、音视频编解码技术等中,可逆技术正引起越来越多的关注。 可逆电路设计的研究重点和难点在于可逆逻辑综合,可逆逻辑综合是可逆电路设计正确的关键一步,逻辑综合效果的好坏直接影响后端设计的成本以及最终电路的性能。因此,要设计出一个具有最小量子成本的可逆电路,选择合适的可逆逻辑综合方法以及优化技术是必不可少的,特别是当面向大规模可逆电路的设计时,高效的综合优化技术尤显重要。任意逻辑函数都有传统Boolean（AND-OR式）逻辑和Reed-Muller（AND-EXOR式）逻辑两种表示形式,由于AND-EXOR式比AND-OR式具有诸多特有的优势正引起了越来越多研究者的兴趣,考虑到EXOR门具有的可逆特性,可作为量子可逆逻辑电路中的一个基本构造单元,利用AND-EXOR式可以方便把传统Boolean电路直接映射成一个可逆逻辑电路,使之具有更低能耗。因此,面向AND-EXOR式实现可逆逻辑电路的综合目前正成为可逆综合领域中的热门方法,引起广泛关注。 研究成果为大规模逻辑函数的可逆逻辑综合提供了一种近似最优的解决方案,对从理论上解决集成电路芯片的发热问题和量子计算机的实现具有重要的基础性意义。已公开发表研究论文7篇,其中SCI国际期刊论文2篇,国内一级核心期刊论文2篇,国外EI期刊论文1篇,其它核心期刊论文2篇;另外,2篇国际SCI期刊论文正在审稿。申请发明专利4项,其中已授权发明专利3项目,获得软件著作权2项。