Lógica quaternária de alto desempenho e baixo consumo para circuitos VLSI

Abstract

Desde a década de 60, o aprimoramento das técnicas de fabricação de circuitos integrados que usam lógica binária tem levado ao aumento exponencial na densidade de dispositivos, melhoria do desempenho, redução da energia consumida e redução dos custos de fabricação dos circuitos integrados no estado da arte. Esse avanço tem sido alcançado historicamente pela miniaturização dos dispositivos que, já em escala nanométrica, começam a encontrar limites físicos para a sua redução. Com o intuito de dar continuidade ao avanço tecnológico, muitos trabalhos têm proposto a compactação da informação através do uso de lógica não binária como solução alternativa para a melhoria de desempenho de circuitos no estado da arte. Nesse sentido, diversos trabalhos foram desenvolvidos em diferentes tecnologias que vão de circuitos bipolares a dispositivos quânticos, entretanto, até o presente momento, nenhuma tecnologia demonstrou ao mesmo tempo os requisitos de desempenho, consumo, área e confiabilidade, necessários à aplicação em circuitos de alta escala de integração. Este trabalho apresenta uma nova família de circuitos de lógica quaternária com alto desempenho, baixos consumo e área e que usa tecnologia CMOS. Os circuitos desenvolvidos neste trabalho fazem uso de três fontes de alimentação e até oito diferentes transistores com diferentes tensões de limiar para realizar a lógica quaternária. São apresentados circuitos elementares como inversores e circuitos literais e com eles construídos circuitos aritméticos e multiplexadores. Os circuitos são simulados com a ferramenta SPICE usando a tecnologia TSMC 0,18 μm e os resultados são comparados com circuitos equivalentes em lógica binária. Na comparação de um somador completo quaternário de quatro bits, por exemplo, com o circuito equivalente em lógica binária, a implementação quaternária apresenta melhoria 55% na velocidade, 63% no consumo de potência e utiliza pouco mais de duas vezes o número de transistores. Este trabalho também propõe o uso de lógica quaternária em FPGA e são desenvolvidos blocos lógicos programáveis quaternários. Resultados de mapeamento lógico de circuitos aritméticos em blocos lógicos programáveis apresentam grande redução em área e consumo de potência na implementação quaternária quando comparado aos equivalentes binários. Em alguns circuitos quaternários, o consumo de potência e o número de transistores usados são reduzidos a 3% do consumo e do número de transistores usados nos circuitos equivalentes binários, enquanto o atraso crítico é duas vezes maior do que o atraso crítico binário.

Since the decade of 60, the improvement of techniques for manufacturing integrated circuits that use binary logic has led to the exponential increase in the density of devices, improving performance, reducing energy consumption and reducing costs of manufacture of integrated circuits in the state of the art. This breakthrough has been achieved historically by the miniaturization of devices, already in nano, starting to reach physical limits to their reduction. In order to give continuity to technological advancement, many studies have proposed the compaction of information through the use of non-binary logic as an alternative for the performance improvement of the state of the art circuits. Accordingly, several studies have been developed in different technologies ranging from bipolar circuits to quantum devices, however, at the moment, no technology demonstrated at the same time the performance requirements, consumption, area and reliability necessary for the application in very large scale of integration. This paper presents a new family of quaternary logic circuits with high performance, low consumption and area, which uses CMOS technology. The circuits developed in this work make use of three power supplies and up to eight different transistors with different threshold voltages, to perform the quaternary logic. Elementary circuits such as inverters and literal circuits are presented and used to implement multiplexers and arithmetic circuits. The circuits are simulated with the SPICE tool using TSMC 0.18 μm technology and the results are compared with equivalent circuits in binary logic. Comparison of a quaternary full adder of four bits, for example, with the equivalent circuit in binary logic shows 55% improvement in speed and 63% in the power consumption for the quaternary implementation and it uses little more than twice the number of transistors. This paper also proposes the use of quaternary logic in FPGA and quaternary configurable logic blocks are developed. Logical mapping results of arithmetic circuits in configurable logic blocks show great reduction in area and power consumption of the quaternary implementation compared to the equivalent binary. In some quaternary circuits, the consumption of power and the number of transistors used are reduced to 3% of consumption and the number of transistors used in the binary equivalent circuits, while the critical delay is two times higher than the binary critical delay.