Эффективный объединенный блок умножения/накопления с использованием мультиоперандного параллельного префиксного сумматора

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347022040057

Ключові слова:

мультиоперандный сумматор, объединенный блок умножения/накопления, параллельный префиксный сумматор, арифметическое устройство

Анотація

В статье разработаны и реализованы различные мультиоперандные параллельные префиксные сумматоры в объединенном блоке умножения/накопления MAC (multiply-accumulate). Мультиоперандное суммирование — улучшенный метод по сравнению с методом с использованием набора 2-операндных сумматоров во многих арифметических приложениях. Также, параллельный префиксный сумматор является одним из наиболее быстродействующих сумматоров. Таким образом, мультиоперандные сумматоры разрабатываются с использованием различных параллельных префиксных графов, которые используются для реализации объединенного MAC блока. Вначале в работе рассмотрены и проанализированы параллельные префиксные сумматоры. Далее структура данных разработанных сумматоров изменена для выполнения мультиоперандных операций, и разработан MAC блок с использованием различных мультиоперандных сумматоров на базе Xilinx Kintex 7 FPGA. Мультиоперандный сумматор Ладнера–Фишера обеспечивает оптимальные результаты относительно энергопотребления, площади и задержки, по сравнению с существующими аналогами. В соответствии с результатами, полученными в Kintex 7 FPGA, он имеет сниженное на 38,06% энергопотребление, на 17,54% — задержку распространения, и на 26,55% — количество LUT, по сравнению с существующим мультиоперандным сумматором. Соответственно, объединенный MAC блок на основе такого сумматора Ладнера–Фишера обеспечивает снижение энергопотребления на 39,95%, задержку распространения на 16,83%, и количество LUT — на 13,73%, по сравнению с классическим МАС блоком.

Посилання

S. Singh, R. Waxman, “Multiple operand addition and multiplication,” IEEE Trans. Comput., vol. C–22, no. 2, pp. 113–120, 1973, doi: https://doi.org/10.1109/T-C.1973.223670.

L. Tu, Y. Yuan, K. Huang, X. Zhang, D. Chen, Z. Wang, “Improved synthesis of compressor trees in high-level synthesis for modern FPGAs,” IEEE Trans. Comput. Des. Integr. Circuits Syst., vol. 37, no. 12, pp. 3206–3210, 2018, doi: https://doi.org/10.1109/TCAD.2018.2801241.

K. R. Gavali, N. Choudhary, S. Mishra, S. Dubey, “A parallel pipelined adder suitable for FPGA implementation,” in 2018 International Conference on Smart City and Emerging Technology (ICSCET), 2018, pp. 1–4, doi: https://doi.org/10.1109/ICSCET.2018.8537358.

S. Kannappan, S. Aruna Mastani, “A novel multi-operand adder design using multiplexers,” in 2017 IEEE International Conference on Computational Intelligence and Computing Research (ICCIC), 2017, pp. 1–4, doi: https://doi.org/10.1109/ICCIC.2017.8524157.

R. D. Kenney, M. J. Schulte, “High-speed multioperand decimal adders,” IEEE Trans. Comput., vol. 54, no. 8, pp. 953–963, 2005, doi: https://doi.org/10.1109/TC.2005.129.

J. Villalba, J. Hormigo, J. M. Prades, E. L. Zapata, “On-line multioperand addition based on on-line full adders,” in 2005 IEEE International Conference on Application-Specific Systems, Architecture Processors (ASAP’05), 2005, pp. 322–327, doi: https://doi.org/10.1109/ASAP.2005.50.

Д. В. Морозов, М. М. Пилипко, “Схемотехническое решение одноразрядного двоичного КМОП сумматора,” Микроэлектроника, Т. 42, № 2, с. 146–152, 2013, doi: https://doi.org/10.7868/S0544126913020099.

М. М. Пилипко, Д. В. Морозов, “Сравнительный анализ схем КМОП сумматоров на 10 транзисторах,” Известия вузов. Радиоэлектроника, Т. 57, № 9, с. 42–54, 2014, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347014090040.

J. Hormigo, J. Villalba, E. L. Zapata, “Multioperand redundant adders on FPGAs,” IEEE Trans. Comput., vol. 62, no. 10, pp. 2013–2025, 2013, doi: https://doi.org/10.1109/TC.2012.168.

S. D. Thabah, M. Sonowal, P. Saha, “Experimental studies on multi-operand adders,” Int. J. Smart Sens. Intell. Syst., vol. 10, no. 2, pp. 1–14, 2017, doi: https://doi.org/10.21307/ijssis-2017-214.

B. Khurshid, R. N. Mir, “High efficiency generalized parallel counters for Xilinx FPGAs,” in 2015 IEEE 22nd International Conference on High Performance Computing (HiPC), 2015, pp. 40–46, doi: https://doi.org/10.1109/HiPC.2015.41.

M. Kumm, J. Kappauf, “Advanced compressor tree synthesis for FPGAs,” IEEE Trans. Comput., vol. 67, no. 8, pp. 1078–1091, 2018, doi: https://doi.org/10.1109/TC.2018.2795611.

S. Akash, M. Ajeeth, N. Radha, “An efficient implementation of FIR filter using high speed adders for signal processing applications,” in 2020 Second International Conference on Inventive Research in Computing Applications (ICIRCA), 2020, pp. 1047–1051, doi: https://doi.org/10.1109/ICIRCA48905.2020.9183114.

A. Abinaya, M. Maheswari, A. S. Alqahtani, “Heuristic analysis of CIC filter design for next-generation wireless applications,” Arab. J. Sci. Eng., vol. 46, no. 2, pp. 1257–1268, 2021, doi: https://doi.org/10.1007/s13369-020-05016-1.

V. Pudi, K. Sridharan, “Low complexity design of ripple carry and Brent–Kung adders in QCA,” IEEE Trans. Nanotechnol., vol. 11, no. 1, pp. 105–119, 2012, doi: https://doi.org/10.1109/TNANO.2011.2158006.

N. Varshney, G. Arya, “Design and execution of enhanced carry increment adder using Han-Carlson and Kogge-Stone adder technique : Han-Carlson and Kogge-Stone adder is used to increase speed of adder circuitry,” in 2019 3rd International conference on Electronics, Communication and Aerospace Technology (ICECA), 2019, pp. 1163–1170, doi: https://doi.org/10.1109/ICECA.2019.8822194.

A. K. Panda, R. Palisetty, K. C. Ray, “High-speed area-efficient VLSI architecture of three-operand binary adder,” IEEE Trans. Circuits Syst. I Regul. Pap., vol. 67, no. 11, pp. 3944–3953, 2020, doi: https://doi.org/10.1109/TCSI.2020.3016275.

N. Nasiri, O. Segal, M. Margala, “Modified fused multiply-accumulate chained unit,” in 2014 IEEE 57th International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS), 2014, pp. 889–892, doi: https://doi.org/10.1109/MWSCAS.2014.6908558.

H. Zhang, H. J. Lee, S.-B. Ko, “Efficient fixed/floating-point merged mixed-precision multiply-accumulate unit for deep learning processors,” in 2018 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 2018, pp. 1–5, doi: https://doi.org/10.1109/ISCAS.2018.8351354.

D. Esposito, D. De Caro, A. G. M. Strollo, “Variable latency speculative parallel prefix adders for unsigned and signed operands,” IEEE Trans. Circuits Syst. I Regul. Pap., vol. 63, no. 8, pp. 1200–1209, 2016, doi: https://doi.org/10.1109/TCSI.2016.2564699.

Префиксная схема сумматора Когге–Стоуна

##submission.downloads##

Опубліковано

2022-04-29

Як цитувати

Абіная A., & Махешвари M. . (2022). Эффективный объединенный блок умножения/накопления с использованием мультиоперандного параллельного префиксного сумматора. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 65(4), 255–264. https://doi.org/10.20535/S0021347022040057

Номер

Том 65 № 4 (2022)

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2022 Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.