Qualitätsorientierte Synthese großer Funktionen in reversibler Logik

Traditionelle Schaltkreise werden immer mehr an ihre Grenzen stoßen, weshalb alternative Technologien erforscht werden müssen. Reversible Logik stellt mit ihren Anwendungen z.B. im Bereich von Quantenschaltkreisen oder des Low-Power Designs eine vielversprechende Alternative dar. Allerdings steht die Forschung in diesem Gebiet noch sehr am Anfang. Im Rahmen des DFG-Projektes sollen Verfahren zur Synthese reversibler Logik entwickelt werden, welche den Entwurf komplexer Schaltkreise in reversibler Logik mit überprüfbarer Korrektheit realisieren.

Kontakt: Prof. Dr. Rolf Drechsler

Die enormen Fortschritte der Halbleiterindustrie in den vergangenen Jahrzehnten haben dazu geführt, dass integrierte Schaltungen mittlerweile jeden Bereich des alltäglichen Lebens erfassen. Computer und Mikrochips sind unersetzlich geworden. Weitere Verbesserungen werden regelrecht erwartet. Dabei ist offensichtlich, dass die Entwicklung der vergangenen Jahre nicht beliebig fortgesetzt werden kann. Seit den 70er Jahren hat sich die Anzahl an Komponenten auf einem Schaltkreis ca. alle 18 Monate verdoppelt. Rechnet man dieses exponentielle Wachstum für die Zukunft hoch, erreicht man zwangsläufig in etwa 20 Jahren die atomare Ebene. Darüber hinaus wird der Energieverlust und verbunden damit die Wärmeabgabe von aktuellen Schaltkreisen zu einem immer größeren Problem. Daher wird derzeit intensiv an Alternativen zu traditionellen Technologien (wie CMOS) geforscht.

Reversible Logik bietet hier viel versprechende Möglichkeiten. Im Gegensatz zu traditioneller Logik, werden dabei reversible Schaltkreise realisiert; das heißt, aus einer Belegung der Ausgänge lässt sich auch auf die Belegung der Eingänge schließen. Dies findet Anwendung in aufkommenden neuen Technologien wie Quantum Computing, Optical Computing oder DNA Computing. Darüber hinaus kann reversible Logik im Bereich des Low-Power Designs, der Nanotechnologie, der Kryptographie sowie bei Kodierungen (z.B. von Musik oder Videos) verwendet werden.

Allerdings unterscheidet sich der Entwurf von reversibler Logik zum Teil deutlich von dem für traditionelle Schaltkreise. So sind zum Beispiel Verzweigungen (FANOUTs) oder Speicherelemente (FlipFlops) nicht erlaubt. Entsprechend müssen die Verfahren zur Synthese, Verifikation oder Diagnose angepasst bzw. neu entwickelt werden. Bisher ist dies nur für relativ kleine Funktionen bzw. Schaltkreise gelungen.

Im Rahmen des Projektes sollen zunächst Methoden zur Synthese von großen reversiblen Funktionen auf Gatterebene entwickelt, analysiert und ausgewertet werden. Da sich die Syntheseergebnisse für größere Funktionen nicht mehr händisch überprüfen lassen, ist darüber hinaus die Entwicklung automatisierter Verfahren zur Verifikation und Diagnose von reversiblen Schaltkreisen geplant. Die resultierenden Methoden sollen anschließend in einem einheitlichen Entwurfsablauf zusammengeführt werden.