面向量子可逆逻辑自动综合的多目标进化算法研究.pdf

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1、学校代码：学号：102551079109面向量子可逆逻辑自动综合的多目标进化算法研究StudyonMulti--objectiveEvolutionaryAlgorithmforAutomaticSynthesisofQuantumReversibleLogic学院：信息科学与技术学院专业：模式识别与智能系统姓名：张明明导师：赵曙光教授2010年5月东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明

2、和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：涨明碉日期：之D／D年与月之9日东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保

3、密口，在——年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密≤／学位论文作者签名：删碉指导教师签名：掳日期：．2010年岁月之7日日期：,20i0年手月3p日摘要摘要随着科学技术和计算机产业的不断发展，集成电路(IntegratedCircuits，IC)正在进入以极大规模、极高密度、系统集成等为特征的SOC(System-on-a-chip)时代。计算机芯片的集成度正遵循着摩尔定律(Moore’SLaw)不断地提高，更快、更小、更复杂的系统级芯片已经开始量产。若摩尔定律继续适用，计算机芯片的线宽将很快达到原

4、子水平。集成度的提高可使计算机的性能得到大幅提升，但也不可避免的导致以下两大问题：第一，随着时钟频率的增加和封装在芯片中晶体管数目的增多，计算机芯片的能耗将不断增大，发热成为一大难题；第二，随着计算机制程的不断发展，晶体二极管的尺寸将达到原子水平，而由于电子的“波粒二象性”使其显现出量子效应，导致经典物理定律失效的窘境。上述问题是IC发展所面临的共性问题，它们也都清楚地表明，现行的计算机制造方法在提高集成度方面已显得越来越力不从心。可逆逻辑电路(ReversibleLogicCircuits)以可逆方式

5、进行逻辑运算、不丢失输入信息，是一种可避免信息损失和相应能量损耗的新型电路，因而可有效降低能耗甚至达到零损耗，使其成为未来进一步降低IC功耗的必由之路。同时，量子计算机遵循量子力学规律，天生服从量子物理定律。可利用量子逻辑门级联(Cascade)实现不存在热耗散且满足指定可逆操作的量子电路，进而构成计算能力较经典计算机有巨大提高的量子计算机，因此可逆计算是量子计算(QuantumComputing)的核心问题，可逆逻辑电路以量子实现形式为佳，而可逆逻辑综合(SynthesisofReversibleLo

6、gic)则是实现量子计算机的关键技术。综上所述，可逆性将成为未来电路设计的基本要求，基于量子实现的可逆逻辑电路将成为进一步降低IC功耗的重要手段，是实现量子计算机的必备条件。因此，研究和解决量子可逆逻辑综合问题将有望推动超低功耗Ic设计和量子计算(机)等相关领域的发展，因而成为了国际性的研究热点。由于量子可逆逻辑电路和常见的不可逆电路存在较大差异，因此其综合方法截然不同于现行的非可逆逻辑电路，生成与优化的难度均更大。目前常规的量子可逆逻辑综合方法普遍不够成熟、自动化程度不高以及缺乏实用性，究其原因主摘要

7、要是由于量子可逆逻辑综合实际上是一种带有强约束且缺乏领域知识的多目标优化问题(Multi．objectiveOptimizationProblems)。如何显著地提高量子可逆逻辑综合的速度、规模、自动化和实用化程度等，目前仍是极具挑战的开放性问题。而进化设计(EvolutionaryDesign)是利用进化计算(EvolutionaryComputation)的高效自动求解能力，寻求不依赖于先验知识和人工干预，通过人工进化(ArtificialEvolution)来获得具备预期功能的设计结果，故可探索更

8、为广阔的设计空间，解决常规方法因知识、经验缺乏而无法胜任的复杂问题，实现相关系统的自动设计，因此进化设计是解决量子可逆逻辑综合复杂性问题的有效途径。本文在系统地论述量子可逆逻辑综合的基本原理、技术特点和研究现状的基础上，将进化设计技术应用于量子可逆逻辑综合，以提高综合水平和实用化程度为目标，寻求以较少的运算量和人工参与，可自动地生成和优化量子可逆逻辑电路的自动综合方法。主要从进化算法、编解码方案、多目标评估方法和自动化简与修复策略等方面入手