Master's Thesis

Automatic Synthesis and Simulation of CMOS arithmetic circuits for algorithm development

Final Thesis 6.04 MB Appendix 6.81 MB

Author of thesis: Ing. Lukáš Metz

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Martin Appel, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jan Králík, Ph.D.

Abstract:

The main objective of this thesis is to develop a software solution for automatic generation of discrete functional models and circuit topologies of arithmetic CMOS computer hardware based on abstracted input. A functional model refers to a program that facilitates both qualitative and quantitative analysis of a designed computer circuit by means of simulations. A hardware topology refers to the configuration and interconnection of the circuit regardless of the physical chip layout. A simple custom programming language was created, which can be used to describe and synthesize arithmetic and logic computer subsystems, and only works with the most fundamental instructions, which can nonetheless be used to build complex systems. A third-party software is used to host all simulations of the generated models. A separate program was developed, which is able to model an arbitrary logic gate as a transistor circuit, run simulations, and estimate key metrics to be used in the mentioned discrete system models. The implemented software tools were tested on several tasks, including the design of a trigonometric unit that generates the values of a parametrized sinusoid on demand.

Keywords:

Computer design, CMOS logic, Hardware Description Language, Transistor, Computer Arithmetic, Logic Synthesis, Computer Hardware, Trigonometric Unit Design

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Při obhajobě student nejprve prezentoval svoji diplomovou práci, následně byly přečteny posudky a student odpovídal na dotazy oponenta. Poté byla členy komise položena následující otázka: Jaká je motivace vaší práce? Obhajoba byla komisí hodnocena jako výborná.

Language of thesis

English

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Solid Mechanics, Mechatronics and Biomechanics

Study programme

Mechatronics (N-MET-P)

Composition of Committee

RNDr. Vladimír Opluštil (předseda)
doc. Ing. Robert Grepl, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Jiří Krejsa, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radoslav Cipín, Ph.D. (člen)
Ing. Dalibor Červinka, Ph.D. (člen)
Ing. Michal Bastl, Ph.D. (člen)
Ing. Peter Zavadinka, Ph.D. (člen)
doc. Ing. David Fojtík, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Martin Appel, Ph.D.

Diplomová práce studenta Lukáše Metze se věnuje automatické syntéze a simulaci aritmetických CMOS obvodů pro vývoj algoritmů. Téma je velmi náročné a leží na pomezí návrhu digitální logiky, modelování tranzistorových obvodů, simulačních nástrojů a vlastního programovacího jazyka.

Velmi kladně hodnotím rozsah vlastního softwarového řešení. Student vytvořil nástroje pro generování tranzistorových topologií logických hradel, automatické vytváření Simscape/Simulink modelů, spouštění simulací a odhad parametrů zpoždění a energie. Součástí práce je také vlastní jazyk pro popis hardwaru a kompilátor, který umožňuje syntézu diskrétních modelů aritmetických a logických subsystémů.

Silnou stránkou práce je, že navržené nástroje nejsou pouze popsány, ale jsou otestovány na konkrétních příkladech. Student demonstroval syntézu a optimalizaci 8bitové násobičky, analýzu a eliminaci signálových poruch a návrh trigonometrické jednotky generující parametrizovanou sinusovku. Oceňuji zejména samostatnost a hloubku technického řešení.

K práci mám pouze dílčí výhrady. Téma je velmi široké a práce je místy obtížnější pro čtenáře, který se v návrhu výpočetního hardwaru nepohybuje. Výstupy jsou ověřeny hlavně na demonstračních úlohách a pro širší využití by bylo vhodné další porovnání se zavedenými nástroji pro syntézu a simulaci digitálních obvodů.

Celkově hodnotím práci jako velmi kvalitní a nadstandardně samostatnou diplomovou práci. Student prokázal schopnost propojit znalosti z digitální logiky, modelování, programování a simulačních nástrojů do uceleného softwarového systému. Práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jan Králík, Ph.D.

Pan Metz se ve své práci zabývá automatickou syntézou a simulací aritmetických CMOS obvodů pro podporu vývoje algoritmů. V úvodní části práce je zpracován teoretický základ, od principů MOS a CMOS technologií až po popis vybraných zapojení. Po specifikaci cíle práce se student věnuje implementaci v prostředí Simulink a návrhu vlastního pracovního prostředí. V závěru práce jsou prezentovány příklady využití navrženého řešení.

Navzdory obsáhlému teoretickému úvodu je práce místy obtížněji srozumitelná a vyžaduje hlubší znalost problematiky. Pro lepší přehlednost by bylo vhodné zvolit jednodušší demonstrační příklady; některé prezentované struktury (např. obr. 4.18 a 5.1) jsou vzhledem ke své komplexnosti obtížně čitelné.

Po formální stránce je práce na solidní úrovni, nicméně se zde vyskytují dílčí nedostatky, jako jsou chybějící odkazy na obrázky v textu, ojedinělé typografické chyby (např. volné znaky na koncích řádků) či nekonzistentní formátování. Práce je rozsáhlá (cca 90 stran), přičemž její délka odpovídá nadstandardnímu rozsahu řešené problematiky.

Práci doporučuji k obhajobě a po zodpovězení otázek navrhuji hodnocení A, tedy výborně.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. Uvažoval jste i o jiném programovacím jazyce pro základní zpracování mimo Python? Jaké by byly jeho výhody či nevýhody?
  2. Jaké jsou hlavní limity navrženého přístupu z hlediska rozsahu a složitosti syntetizovatelných obvodů?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová