Curbing the design complexity of asynchronous circuits

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Sartori, Marcos Luiggi Lemos
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Escola Politécnica
Brasil
PUCRS
Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
ST
QDI
Link de acesso: https://tede2.pucrs.br/tede2/handle/tede/11634
Resumo: The design of self-timed (ST) asynchronous circuits offers robustness to delay variations but faces challenges that require innovative solutions. This Thesis comprehensively enhances Pulsar, a previous contribution of the Author, focused on designing asynchronous circuits with the help of commercial electronic design automation tools. Pulsar originally targeted the pseudo-synchronous spatially distributed dual spacer null convention logic (PSSDDS-NCL) ST template. The Thesis introduces two new asynchronous ST templates and extends Pulsar to support these.The first is the weakly-indicating dual spacer (WInDS), a weakly-indicating enhancement to PS-SDDS-NCL. The second is the asynchronous limited hysteresis organisation (ALHO) ST template, which employs non-hysteretic gates. These are proposed and integrated within the Pulsar framework. They address some challenges in ST circuit implementation, reflecting the Thesis motivation to overcome hurdles in designing asynchronous circuits whilst tackling area, power and performance overheads. This Thesis also extends Pulsar to support choice, offering more design flexibility. It demonstrates the use of Pulsar to design simple circuits and a fully functional RISC-V processor architecture implementation with the introduced templates. Additional contributions include the formalisation of requirements to build functional ST circuits, providing foundational principles for their effective design and implementation. This formalisation enabled the construction of more relaxed ST circuits compared to the conservative quasi-delay-insensitive (QDI) paradigm. The need to differentiate QDI and more relaxed ST circuits in terms of timing assumptions resulted in the proposal of a classification system for asynchronous circuits. These contributions collectively provide a new structured approach to asynchronous circuit design, culminating in the non-hysteretic ALHO ST template and the extensions of Pulsar. The work lays a foundation for the continued exploration, research, and development in the field of asynchronous circuit design, building on the capabilities of Pulsar and offering new insights into the design process of ST circuits.
id P_RS_1aae495602ab3a23bcfb80aefa0d93d5
oai_identifier_str oai:tede2.pucrs.br:tede/11634
network_acronym_str P_RS
network_name_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da PUC_RS
repository_id_str
spelling Curbing the design complexity of asynchronous circuitsReduzindo a complexidade de projeto de circuitos assíncronosAsynchronous CircuitsSTQDIElectronic design automationCircuitos AssíncronosSTQDIAutomação de projeto eletrônicoCIENCIA DA COMPUTACAO::TEORIA DA COMPUTACAOThe design of self-timed (ST) asynchronous circuits offers robustness to delay variations but faces challenges that require innovative solutions. This Thesis comprehensively enhances Pulsar, a previous contribution of the Author, focused on designing asynchronous circuits with the help of commercial electronic design automation tools. Pulsar originally targeted the pseudo-synchronous spatially distributed dual spacer null convention logic (PSSDDS-NCL) ST template. The Thesis introduces two new asynchronous ST templates and extends Pulsar to support these.The first is the weakly-indicating dual spacer (WInDS), a weakly-indicating enhancement to PS-SDDS-NCL. The second is the asynchronous limited hysteresis organisation (ALHO) ST template, which employs non-hysteretic gates. These are proposed and integrated within the Pulsar framework. They address some challenges in ST circuit implementation, reflecting the Thesis motivation to overcome hurdles in designing asynchronous circuits whilst tackling area, power and performance overheads. This Thesis also extends Pulsar to support choice, offering more design flexibility. It demonstrates the use of Pulsar to design simple circuits and a fully functional RISC-V processor architecture implementation with the introduced templates. Additional contributions include the formalisation of requirements to build functional ST circuits, providing foundational principles for their effective design and implementation. This formalisation enabled the construction of more relaxed ST circuits compared to the conservative quasi-delay-insensitive (QDI) paradigm. The need to differentiate QDI and more relaxed ST circuits in terms of timing assumptions resulted in the proposal of a classification system for asynchronous circuits. These contributions collectively provide a new structured approach to asynchronous circuit design, culminating in the non-hysteretic ALHO ST template and the extensions of Pulsar. The work lays a foundation for the continued exploration, research, and development in the field of asynchronous circuit design, building on the capabilities of Pulsar and offering new insights into the design process of ST circuits.O projeto de circuitos assíncronos auto-temporizados (ST) oferece robustez a variações de atraso, mas enfrenta desafios que exigem soluções inovadoras. Esta Tese aprimora de forma abrangente o Pulsar, uma contribuição anterior do Autor, focada no projeto de circuitos assíncronos com ferramentas comerciais de automação de projeto eletrônico. Pulsar originalmente endereçava tão-somente o modelo pseudo-síncrono ST de lógica de convenção nula usando espaçadores duplos espacialmente distribuídos (em inglês, pseudosynchronous distributed dual spacer null convention logic or PS-SDDS-NCL). A Tese propõe dois novos modelos ST e estende Pulsar para dar suporte a estes. O primeiro modelo denomina-se espaçador duplo de indicação fraca (em inglês, weak-indicating dual spacer ou WInDS), um aprimoramento de indicação fraca para o modelo PS-SDDS-NCL. O segundo é o modelo ST organização assíncrona com histerese limitada (em inglês, asynchronous limited hysteresis organisation ou ALHO), que emprega sobretudo portas lógicas convencionais não-histeréticas. Estes modelos são propostos e integrados na estrutura Pulsar. Eles abordam alguns dos desafios na implementação de circuitos ST, refletindo a motivação da Tese para superar obstáculos no projeto de circuitos assíncronos e, ao mesmo tempo, lidar com excessivos área, potência e desempenho algumas vezes produzidos por circuitos ST. Ao estender a ferramenta Pulsar, a Tese propõe melhorias para apoiar ações de escolha, oferecendo maior flexibilidade ao projeto, e demonstra o uso de Pulsar para elaborar circuitos simples, bem como e uma implementação funcional completa de uma versão da arquitetura RISC-V de processador programável com os modelos introduzidos. Contribuições adicionais são a proposta de uma classificação alternativa para circuitos assíncronos, partindo da necessidade de diferenciar circuitos Quasi-Delay-Insensitive (QDI) de circuitos ST apartir dos seus pressupostos de temporização. A Tese também formaliza os requisitos para construir circuitos ST funcionais, propondo princípios fundamentais para o projeto e implementação eficientes destes. As contribuições fornecem uma abordagem estruturada para projetar circuitos assíncronos, com foco no modelo ST ALHO e na extensão do Pulsar para lhe dar suporte. O trabalho traz uma base para a exploração, pesquisa e desenvolvimento continuados no campo de projeto de circuitos assíncronos, empregando a ferramenta Pulsar e oferecendo novas perspectivas para o processamento deste paradigma.Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do SulEscola PolitécnicaBrasilPUCRSPrograma de Pós-Graduação em Ciência da ComputaçãoMoraes, Fernando Gehmhttp://lattes.cnpq.br/2509301929350826Sartori, Marcos Luiggi Lemos2025-05-27T21:41:44Z2023-09-05info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://tede2.pucrs.br/tede2/handle/tede/11634enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da PUC_RSinstname:Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUCRS)instacron:PUC_RS2025-05-27T23:00:24Zoai:tede2.pucrs.br:tede/11634Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://tede2.pucrs.br/tede2/PRIhttps://tede2.pucrs.br/oai/requestbiblioteca.central@pucrs.br||opendoar:2025-05-27T23:00:24Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da PUC_RS - Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUCRS)false
dc.title.none.fl_str_mv Curbing the design complexity of asynchronous circuits
Reduzindo a complexidade de projeto de circuitos assíncronos
title Curbing the design complexity of asynchronous circuits
spellingShingle Curbing the design complexity of asynchronous circuits
Sartori, Marcos Luiggi Lemos
Asynchronous Circuits
ST
QDI
Electronic design automation
Circuitos Assíncronos
ST
QDI
Automação de projeto eletrônico
CIENCIA DA COMPUTACAO::TEORIA DA COMPUTACAO
title_short Curbing the design complexity of asynchronous circuits
title_full Curbing the design complexity of asynchronous circuits
title_fullStr Curbing the design complexity of asynchronous circuits
title_full_unstemmed Curbing the design complexity of asynchronous circuits
title_sort Curbing the design complexity of asynchronous circuits
author Sartori, Marcos Luiggi Lemos
author_facet Sartori, Marcos Luiggi Lemos
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Moraes, Fernando Gehm
http://lattes.cnpq.br/2509301929350826
dc.contributor.author.fl_str_mv Sartori, Marcos Luiggi Lemos
dc.subject.por.fl_str_mv Asynchronous Circuits
ST
QDI
Electronic design automation
Circuitos Assíncronos
ST
QDI
Automação de projeto eletrônico
CIENCIA DA COMPUTACAO::TEORIA DA COMPUTACAO
topic Asynchronous Circuits
ST
QDI
Electronic design automation
Circuitos Assíncronos
ST
QDI
Automação de projeto eletrônico
CIENCIA DA COMPUTACAO::TEORIA DA COMPUTACAO
description The design of self-timed (ST) asynchronous circuits offers robustness to delay variations but faces challenges that require innovative solutions. This Thesis comprehensively enhances Pulsar, a previous contribution of the Author, focused on designing asynchronous circuits with the help of commercial electronic design automation tools. Pulsar originally targeted the pseudo-synchronous spatially distributed dual spacer null convention logic (PSSDDS-NCL) ST template. The Thesis introduces two new asynchronous ST templates and extends Pulsar to support these.The first is the weakly-indicating dual spacer (WInDS), a weakly-indicating enhancement to PS-SDDS-NCL. The second is the asynchronous limited hysteresis organisation (ALHO) ST template, which employs non-hysteretic gates. These are proposed and integrated within the Pulsar framework. They address some challenges in ST circuit implementation, reflecting the Thesis motivation to overcome hurdles in designing asynchronous circuits whilst tackling area, power and performance overheads. This Thesis also extends Pulsar to support choice, offering more design flexibility. It demonstrates the use of Pulsar to design simple circuits and a fully functional RISC-V processor architecture implementation with the introduced templates. Additional contributions include the formalisation of requirements to build functional ST circuits, providing foundational principles for their effective design and implementation. This formalisation enabled the construction of more relaxed ST circuits compared to the conservative quasi-delay-insensitive (QDI) paradigm. The need to differentiate QDI and more relaxed ST circuits in terms of timing assumptions resulted in the proposal of a classification system for asynchronous circuits. These contributions collectively provide a new structured approach to asynchronous circuit design, culminating in the non-hysteretic ALHO ST template and the extensions of Pulsar. The work lays a foundation for the continued exploration, research, and development in the field of asynchronous circuit design, building on the capabilities of Pulsar and offering new insights into the design process of ST circuits.
publishDate 2023
dc.date.none.fl_str_mv 2023-09-05
2025-05-27T21:41:44Z
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://tede2.pucrs.br/tede2/handle/tede/11634
url https://tede2.pucrs.br/tede2/handle/tede/11634
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Escola Politécnica
Brasil
PUCRS
Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação
publisher.none.fl_str_mv Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Escola Politécnica
Brasil
PUCRS
Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da PUC_RS
instname:Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUCRS)
instacron:PUC_RS
instname_str Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUCRS)
instacron_str PUC_RS
institution PUC_RS
reponame_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da PUC_RS
collection Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da PUC_RS
repository.name.fl_str_mv Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da PUC_RS - Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUCRS)
repository.mail.fl_str_mv biblioteca.central@pucrs.br||
_version_ 1850041318909149184