Multiplication circuit block design using reversible logic gates
Tersinir mantık kapıları kullanarak çarpma devresi bloğu tasarımı
- Tez No: 766889
- Danışmanlar: PROF. DR. ECE OLCAY GÜNEŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 71
Özet
Elektronik cihazlara ve bilgisayarlara, ilk üretildikleri günden günümüze kadar sürekli artan bir talep olmuştur. Bu talep üç ana başlıkta incelenebilir; hızlı, ucuz ve küçük. Yıllar boyunca daha küçük elektronik cihazlar geliştirmeye yardımcı olacak teknolojiler çalışılmış ve buna uygun üretim teknolojileri geliştirilmiştir. Bu geliştirmeler sayesinde daha az alan kaplayan yongalar geliştirilmiş, daha ufak ürünler üretilebilmiş ve talepler karşılanmaya devam etmiştir. Günümüz yongalarının daha küçük tasarlanmış olmaları birkaç anlama gelebilir. Bunlardan bazıları, yonga içindeki bağlantıların daha kısa olması, bağlantı elemanlarının sahip olduğu direnç değerlerinin azalması, belirli bir alana daha fazla tranzistör sığması, bu tranzistörlerin birbirine daha yakın konumlandırılabilmesidir. Bu özellikler aynı zamanda yongaların daha hızlı çalışmasına da olanak sağlayacak türden etkiler oluşturur. Bloklar arası daha kısa iletim hatları olması, devre bloklarının daha yakın tasarlanabilmesi, aynı işlemleri yapmak için paralel ve daha fazla kaynak kullanılabilmesi gibi doğrudan hızı arttıracak etkilerle hem daha küçük hem de daha hızlı yongalar tasarlanabilmiş olur. Aynı zamanda devrelerin birbirine daha yakın olması, iletim hatlarının ve tranzistör kanallarının daha ufak tasarlanmış olması yongaların çalışırken ihtiyaç duydukları gücü de azaltıcı etki yapar. Genel olarak yarıiletken üretim tekniklerinin iyileşmesi, litografi, fotolitografi gibi tekniklerin gelişmesi ile daha küçük alanlara daha fazla devre sığabilir hale gelmektedir. Bunun sonucu olarak da hem daha küçük, hem daha hızlı, hem de daha az güç tüketen yongalar tasarlanmaktadır. Daha küçük yonga tasarlamanın diğer taleplere de doğrudan olumlu etkisi olması, yongaları daha verimli ve daha uygun maliyetli üretmek için de fırsat oluşturmaktadır. Günümüzde yedi nanometre ve on nanometre seviyesinde çoklu üretimler yapılabilmektedir ve hatta IBM yakın zamanda ilk iki nanometrelik yongasını yayımlamıştır [2]. Bu üretim teknolojisi sayesinde günümüz mikrodenetleyicilerinin içine milyarlar seviyesinde tranzistör sığabilmektedir. Ancak, Moore yasasına [1] göre, daha küçük tranzistörlü üretim teknolojilerinin belirli bir noktadan sonra doyuma uğraması beklenmektedir. Moore yasası, belirli zaman periyotlarında aynı boyutta yongaların içine daha fazla tranzistör sığmasını sağlayan teknolojilerin doyuma uğrayacağını ve yongaların içindeki tranzistör sayılarının dramatik şekilde artamayacağı bir dönemin gelmesini öngörmektedir. Bunun ise birkaç sebebi bulunmaktadır. Nanometre mertebesi altında üretim yapmanın zorlukları dışında bir de daha küçük tranzistör kullandıkça verimsizlik oluşma potansiyeli bulumaktadır. Bu, en basit şekilde bir elektronun fiziksel boyutunun getireceği bir limit ile tanımlanabilir. Günümüz teknolojisinde yongaların içinde durum belirlemeye yarayan tranzistörler, açık ve kapalı oldukları durumlara göre bitlerin değerlerini belirlemeye yardımcı olurlar. Bu bitlerin belirli kombinasyonları kullanılarak da yongalar programlanır ve kullanılır. Fakat, bu bitlerin değerinin oluşması için, yongaların içindeki tranzistörlerden mümkün olan en kısa sürede ve yeterli miktarda elektron geçmelidir. Tranzistörler belirli bir boyutun altında olacak şekilde üretilebilseler bile, bu fiziksel limit devrenin çalışma hızını ve sistemin genel performansını etkileyecektir. Buradaki denge uç noktaya geldiğinde de daha küçük yongalar üretilemeyecektir. Daha küçük yonga üretememek ise performansı ve işlem hızını da doğrudan etkilediği için, daha hızlı yongalar üretmek için alternatif yollar gerekecektir. Bu yollardan birisi, daha ufak olması gözetilmeden çok daha fazla tranzistörlü devreler ve yongalar tasarlamak olacaktır. Daha fazla devre bloğu ve paralel süreçlerle daha hızlı tasarımlar yapılabilir. Nitekim günümüzde de daha küçük yongalar üretmenin yanında, mevcut üretim teknikleri kullanılarak yongalardan çok çekirdekli türleri üretilmektedir. Çok çekirdelikli yapılar sayesinde paralel ve daha fazla kaynak kullanarak hız belli oranda arttırılabilmektedir. Ancak, bunun bugün de olduğu gibi ileride de bir limiti olması beklenmektedir. Çünkü daha fazla kaynağı olan yongalar fiziksel olarak daha büyük hale gelecek ve daha fazla güç tüketeceklerdir. Bu durum daha küçük ve ucuz cihaz taleplerini karşılamakta bir negatif etki oluşturma potansiyeline sahiptir. Bu noktada, daha hızlı ve daha çok işlem kapasitesine sahip kuantum bilgisayarlar bir alternatif oluşturmaktadır. Günümüz bilgisayar ve yongaları, içlerinde bulunan tranzistörlerin 1 veya 0 şeklinde durum değiştirmesi üzerine kurulmuştur. Bu yapılara bit adı verilir ve bitler bir araya gelerek farklı olasılıkları ifade etmek için kullanılırlar. Bir bit tek başına iki farklı olasığı ifade edebilirken, bit sayısı arttıkça ifade ettiği durumun olasılığı da 2n şeklinde artar. Günümüz bilgisayarlarında bitler bu 2n olasılıktan herhangi birini ifade edebilirken, kuantum bilgisayarlar 2n olasılığın herhangi birinde, bir kısmında ya da tamamında olabilir. Bu da takip edilebilecek olasılık sayısını arttırmaktadır. Kuantum bilgisayarlardaki bu bitlere qubit adı verilir. Bu yapı kuantum fiziği üzerine kurulmuştur ve bu bilgisayarlar klasik bilgisayarlardan çok daha hızlı bir şekilde karmaşık problemler çözebilmekte ve karmaşık benzetimleri çalıştırabilmektedir. Hızlı, küçük ve düşük güçle çalışabilen kuantum bilgisayarların tasarlanması oldukça zordur ve bazı gereklilikleri mevcuttur. Örneğin, qubitlerin durumunu belirleyen elektronların super pozisyonunun çevresel faktörlerden etkilenmemesi gerekmektedir. Bu da kuantum bilgisayarın çalışma ortamı için önemli bir isterdir. Bununla beraber kuantum devrelerinin bir diğer özelliği tersinir olarak tasarlanmalarıdır. Tersinir devrelerde, devrenin çıkışındaki değerler, devrenin giriş değerleri hakkında bilgi verir. Buradaki amaç, kuantum fiziğinde kullanılan qubitlerin değer değiştirmesine yardımcı olan spin, polarizasyon gibi fiziksel olayların silinemez olmasıdır. Tersinir devre yapıları sayesinde, giriş vektörüne ait değerler, çıkışlar sayesinde tekrar üretilebilir. Bu sayede de enerji tüketim anlamında fayda sağlanmaktadır. Kuantum devreleri tersinir olarak tasarlanırken kullanılabilen tersinir mantık kapılarının, literatürde bazı örnekleri mevcuttur. Bu mantık kapıları ise, çıkış vektörlerini belirleyen işlemleri bulmak için, kendi arasında sık kullanılabilen ya da tekrarlı kullanılan lojik işlemler göz önünde bulundurularak tasarlanmıştır. Ayrıca tersinir mantık kapıları evrenseldir, yani sadece tek bir çeşit kapı kullanılarak da sistemin çıktılarından girdilerine gidilebilir. Bu tez çalışmanın konusu da; tersinir mantık kapılarını, neden onlara ihtiyaç olduğunu, özelliklerini, avantaj ve dezavantajlarını araştırmak, literatürde bulunan mantık kapılarının tasarımsal özellikleri, klasik mantık kapıları ile arasındaki farkların incelenmesi ve bu mantık kapılarını kullanarak bir uygulama gerçekleştirmektir. Bu uygulama için sayısal sistemlerde kullanılan çarpma devresi blokları tercih edilmiştir. Çarpma devresi bloklarının tercih edilme sebebi ise, çarpma bloklarının tüm aritmetik devre blokları arasında en çok kaynak talep eden devre bloklarından birisi olmasıdır. Çarpma devresi blokları uygulamaları için kullanılan alan, güç ve zaman çok kritik öneme sahiptir. Bu konularda daha iyileştirilmiş çarpma devresi bloklarının tasarlanması için çok çeşitli algoritmalar da geliştirilmiştir. Bu algoritmalar, uygulamalar özelinde de geliştirilebilir olup, daha az kaynak harcayan, daha az zamanda sonuca ulaşan ya da daha az güç tüketen devreler tasarlanması için kullanılır. Çok sayıda farklı algoritmanın geliştirilmesine de sebep olmuş çarpma devresi blokları için bir tasarım yapmak ve bu tasarımı daha yaygın kullanılabilecek bir seviyede gerçeklemek amaçlanmıştır. Uygulamada kullanılan çarpma devresi bloğu yaklaşımı Vedic çarpma algoritması olarak bilinen yöntemdir. Urdhva Tiryakbhyam metodu olarak da bilinen bu yöntem, çarpan sayılarının her bit değerinin dikine ve çaprazlamasına çarpıldıktan sonra sırayla en düşük değerli konumdan en yüksek değerli konuma doğru yazılması ile sonucun elde edilmesini sağlar [3]. Bu yöntemin ikili (binary) seviyedeki bir uygulamada gerçeklenmesi sırasında ise tek tip bir tersinir mantık kapısı kullanımı amaçlanmıştır. Bunun amacı tekrarlı olarak aynı kapıyı kullanarak devre tasarımında karmaşıklığı azaltmak motivasyonu bulunmaktadır. Yarıiletken üzerine devreler çizilirken, devre bloklarını simetrik tasarlamak, üretim ve ısınma konusunda da faydalı olmaktadır. Bu motivasyonla, tekrarlı ve tek bir tersinir mantık kapısı kullanımı denenmiştir. Bu devrenin tasarımı VHDL kullanılarak geliştirilmiştir ve devrenin doğruluğu simüle edilmiştir. Bu geliştirme sırasında tek kapı kullanılmış olması ise ekstra avantaj sağlamıştır, çünkü kullanılan tersinir mantık kapısı bir komponent olarak tanıtılmış ve tasarımın geri kalanı komponent portlarına girişleri gönderip çıkışları takip ederek çalışılmıştır. Data akışı (dataflow) olarak bilinen tasarım yaklaşımı yerine komponent yaklaşımı kullanılması sayesinde hızlı geliştirme yapma imkanı da oluşturulmuştur.
Özet (Çeviri)
There has been an ever-increasing demand for electronic devices and computers since the day they were first produced. This request can be examined under three main headings; faster, cheaper and smaller. Over the years, there has always been upgradings on the smaller production technologies. This upgrades create chances to produce smaller applications to meet the demand on this area. Also, for a microchip, being smaller means having shorter lines between circuits, smaller serial resistances on circuits, closer transistors inside the chip etc. These features create a positive momentum for being faster. Because, smaller chip means that more resources can fit inside it which leads to parallel computing and shorthens logic operation delays. Also, smaller designs require less power to operate and loss less energy during computing. So being smaller affect both speed and energy in a positive way. However, Moore's law [1] says that smaller chip technologies will saturate eventually. This is because technology and physical limits. Even if smaller technologies would be produced, there is a physical barrier which is the diameter of electrons. In today's computing devices, electrons move from higher potentials to lower potentials to change states of bits. These bit changes occur in a small transistors. Even if incredibly small transistors would be produces, at one point, channel widths of transistor will be a limit for enough electron flow. If electron flow gets slower, state changes become slower so this directly affects the speed demand. In such cases, there can be alternative solutions such as using multi-core applications. Neverthless, once the core sizes and numbers are increased, delays and power consumptions are negatively affected. One other way to overcome faster applications without these limits is using and developing quantum computing devices. These devices work different than today's computers. They use quantum bits in other words qubit which can be 0 and 1 at the same time where classical computing devices uses 0 or 1 as a state. Since the possibility of states increase, the faster applications can be designed. This infastructure is based on quantum physics. Thus, quantum computers can solve more complex problems and run complex simulations faster than classical computing devices. There are some requirements to develop such devices, for example, these devices need to be isolated from enviromental affects or noises. They are difficult to built. They are developed for special tasks rather than being multi task computers. Also, they need to be build reversible since the creation of quantum states can not be erased. On the other hand, reversible design create less power loss opportunity because in reversible computing there is no need to erase or overwrite a bit. Every erase and write operations creates energy loss by heat around 3 x 10−21 Joule at room temperature. In this situation, using reversible gates can create optimizations for the designs. This study is mainly focused on this research area. So, reversible logic gates mean that n to n mapped, universal gates which leads finding it's unique inputs using it's outputs. Here, universal word means that using the same gate can help to find it's own unique inputs. So, learning universal gates, their application areas, advantages/disadvantages are studied along this thesis and one example is performed to realize their usage in an application. This application is chosen to be a multiplication circuit block example because, multiplication circuit blocks are one of the most resource and time demanding blocks in digital systems. So, using reversible logic gates in a multiplication circuit block example would be helpful to both understand the gates and having a design approach for a widely used application in the literature. The main motivation during the design is to use one single gate type to perform less circuit complexity and fast development opportunity.
Benzer Tezler
- Kazanç kontrollü kuvvetlendiricilerde lineer olmama distorsiyonunu azaltmak üzere analog çarpma devresi yapılarında yeni değişiklikler
Başlık çevirisi yok
OĞUZHAN ÇİÇEKOĞLU
Doktora
Türkçe
1996
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. HAKAN KUNTMAN
- Stokastik hesaplamada hata oranlarını azaltmak için yeni yöntemler
New methods for reducing error rates in stochastic computing
SERTER YAVUZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MUSTAFA ALTUN
- Design and realization of a high speed 64x64-bit multiplier for low power applications
Düşük gerilimli uygulamalar için yüksek hızlı 64-bitlik bir çarpma bloğunun tasarımı ve gerçeklenmesi
BERİL SEDA ÇİFTÇİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2003
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YAŞAR GÜRBÜZ
- Salt aktif süzgeçler
Active only filters
HACER ATAR YILDIZ
Doktora
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ TOKER
- VHDL ile lojik devre tasarımı ve DSP uygulamaları için çarpma bloklarının modellenmesi
Başlık çevirisi yok
SIDDIKA BERNA ÖRS
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET DERVİŞOĞLU