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JP2004531804A - 乗算論理回路 - Google Patents

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JP2004531804A
JP2004531804A JP2002575780A JP2002575780A JP2004531804A JP 2004531804 A JP2004531804 A JP 2004531804A JP 2002575780 A JP2002575780 A JP 2002575780A JP 2002575780 A JP2002575780 A JP 2002575780A JP 2004531804 A JP2004531804 A JP 2004531804A
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JP
Japan
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array
logic
logic circuit
multiplication
binary
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JP2002575780A
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サニル・タルウォー
ドミトリー・ルミニン
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Automatic Parallel Designs Ltd
Original Assignee
Automatic Parallel Designs Ltd
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Publication date
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Abstract

乗算論理回路は、配列生成論理及び配列縮小論理を具備する。前記配列生成論理は、最大長のカラムを縮小するための最大長並列カウンタを具備する配列縮小の第1レベルのための配列縮小論理を具備する。それから、最大長並列カウンタの出力は、さらに、最大長並列カウンタの出力によって体験された差異のある遅延を補償するために、非対称の遅延を有する論理回路を具備する縮小論理の第2レベルによって縮小される。

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は、概して、デジタル電子装置に関し、さらには特に二つの2進数を乗算するための乗算論理回路(multiplication logic circuit)、および乗算して以前の乗算を累積するための乗算累積論理回路(multiply-accumulate logic circuit)に関する。
【背景技術】
【0002】
多くのアプリケーションにとって、n入力を一緒にして加算するブロックを備えることは有用である。このブロックの出力はハイの入力数の2進表示である。このようなブロックは、並列カウンタ(parallel counter)と呼ばれ(L.Dadda, Some Schemes for Parallel Multipliers, Alta Freq 34:349-356(1965);E.E.Swartzlander Jr., Parallel Counters, IEEE Trans. Comput. C-22:1021-1024(1973))、2進乗算を実行する回路で使用される。並列カウンタの他のアプリケーションには、例えば、多数決論理デコーダ(majority-voting decoders)またはRSAエンコーダおよびデコーダがある。最大限のスピードを達成する並列カウンタを実現することは重要である。乗算では並列カウンタを使用することが知られている(L.Dadda, On Parallel Digital Multipliers, Alta Freq 45:574-580(1976))。
【0003】
全加算器は、3ビット入力と2ビット出力とを有する特殊な並列カウンタである。より上級な並列カウンタ、即ち入力数の多い並列カウンタの最新の実現は、全加算器を使用することに基づいている(C.C.Foster and F.D.Stockton, Counting Responders in an Associative Memory, IEEE Trans. Comput. C-20:1580-1583(1971))。一般に、出力の最下位ビット(least significant bit)は、このような実施において最も速く生じるビットであり、一方、他のビットは通常遅く生じる。
【0004】
次の表記法が論理演算に使用される。
【0005】
【数1】
Figure 2004531804
【0006】
並列カウンタの効率の良い従来技術の設計(Foster and Stockton)では全加算器が使用される。全加算器は、FAで表され、図1に示される3ビット入力の並列カウンタである。それは、3入力X,X,Xと2出力SおよびCとを有している。出力についての論理的な表現は次式で与えられる。
【0007】
【数2】
Figure 2004531804
【0008】
HAで表される半加算器は、図1に示される2ビット入力の並列カウンタである。それは、2入力X,Xと2出力SおよびCとを有している。出力についての論理的な表現は次式で与えられる。
【0009】
【数3】
Figure 2004531804
【0010】
図2に7ビット入力の並列カウンタの従来の実施を示す。
乗算は基本的演算である。二つのnディジットの2進数を
n−1n−1+An−2n−2+…+A2+A0 及び
n−1n−1+Bn−2n−2+…+B2+B
とすると、それらの積は、
2n−12n−1+P2n−22n−2+…+P2+P
となり、2nディジットに達する。ウォーレス(Wallace)は、乗算器のための最初の高速アーキテクチャを考案し、今ではウォーレスツリー(Wallace tree)乗算器(Wallace, C.S., A Suggestion for a Fast Multiplier, IEEE Trans. Electron. Comput. EC-13:14-17(1964))と呼ばれている。ダッダ(Dadda)は、乗算器におけるビットの振る舞いを調査した(L.Dadda, Some Schemes for Parallel Multipliers, Alta Freq 34:349-356(1965))。彼は、様々な乗算器を作成し、そして殆どの乗算器はダッダの考えに沿ったものである。
【0011】
ダッダの乗算器は、図3のスキームを用いている。入力が8ビットを有しているとすれば、64の並列のANDゲートが図4に示す配列(array)を生成する。このANDゲートの記号∧は説明を簡明にするために省略され、A∧BはAである。図4の残りは、全加算器(FA)および半加算器(HA)に関係する配列縮小(array reduction)を示している。同一のカラムからのビットは半加算器または全加算器により加算される。全加算器に与えられるビットのグループのいくつかは長方形の中にある。半加算器に与えられるビットのグループのいくつかは楕円の中にある。配列縮小の結果は、最後のステップで加算されるちょうど二つの2進数である。例えば条件加算器(conditional adder)またはキャリー先見型加算器(carry-look-ahead adder)などの高速な加算スキームの一つによってこれらの二つの数を加算する。
【0012】
UK特許出願番号0019287.2および0101961.1、US特許出願番号09/637532、09/759954および09/917257および国際特許出願番号GB01/03415およびGB01/04455の全ての内容は、本明細書の中で引用することにより組み入れられており、配列縮小に先だって配列の修正(modification)または変形(deformation)のための技術を開示している。配列の変形は、配列の深さ(the depth of the array)を2n−1よりも大きく且つ2−1に等しいか小さい数に縮小することの利益を引き出す。ここで、nは整数である。この配列の最大深さ(the maximum depth)の縮小は、配列縮小ステップにおいて並列カウンタの効率的な使用を可能にする。
【特許文献1】
UK特許出願番号0019287.2および0101961.1
【特許文献2】
US特許出願番号09/637532、09/759954および09/917257
【特許文献3】
国際特許出願番号GB01/03415およびGB01/04455
【非特許文献1】
L.Dadda, Some Schemes for Parallel Multipliers, Alta Freq 34:349-356(1965);E.E.Swartzlander Jr., Parallel Counters, IEEE Trans. Comput. C-22:1021-1024(1973)
【非特許文献2】
C.C.Foster and F.D.Stockton, Counting Responders in an Associative Memory, IEEE Trans. Comput. C-20:1580-1583(1971)
【非特許文献3】
Wallace, C.S., A Suggestion for a Fast Multiplier, IEEE Trans. Electron. Comput. EC-13:14-17(1964)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
本発明は、論理回路の演算速度が改善された乗算論理回路(multiplication logic circuit)および乗算累積論理回路(multiply-accumulate logic circuit)を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明は、配列縮小ステップにおいて、最大長並列カウンタ(the maximal length pararell counters)が、従来技術の配列縮小論理で見られる配線遅延(wiring delay)を著しく低減できることを実現した。また一方において、本願発明者は、最大長並列カウンタの出力が異なったゲート遅延を有することを実現した。このように、本発明によれば、配列縮小ステップにおける最大長並列カウンタの使用に加え、この最大長並列カウンタの出力が対称遅延を伴って縮小論理に入力され、並列カウンタ回路の出力の差異のある遅延(differential delay)効果を改善する。
【0015】
従って、本発明によれば、より短い遅延を有する最大長並列カウンタ論理から生成された出力が、出力生成においてより長い遅延を招く縮小論理の入力部に入力される。並列カウンタ論理内でより長い遅延を有する最大長並列カウンタ論理の出力は、出力生成においてより短い遅延を有する非対称縮小論理の入力部に入力される。従ってこの方法では、並列カウンタ論理及び更なる縮小論理を通した全体遅延はバランスが取られ、且つ並列カウンタ論理を通した遅延における差分が更なる縮小論理によって補償される。
【0016】
本発明によれば、少なくとも一つの最大並列カウンタが配列縮小ステップにおいて使用され、配列におけるひとつのカラムの全ての値を受け取ることにより、ひとつの次元において配列を縮小する。
【0017】
本発明の好ましい実施形態において、同時係属中のUK出願番号0019287.2および0101961.1、US特許出願番号09/637532、09/759954および09/917257および国際特許出願番号GB01/03415およびGB01/04455に開示されているように、配列は配列変形(array deformation)を経ることにより修正される。配列変形は、最大カラム数に対する入力数を、2n−1よりも大きく且つ2−1に等しいか小さい数に低減するという利益をもたらす。ここで、nは整数である。例えば、二つの16ビット数の乗算について、配列変形プロセスは、任意に仮定されたカラムにおいて配列の最大深さを15ビットに低減し、これにより、15ビット入力、4ビット出力の並列カウンタが第1縮小ステップにおいて使用されることを可能とし、配列の深さを4ビットに低減する。32ビット入力について、配列変形ステップは、任意に仮定されたカラムにおいて配列の最大高さを31ビットに低減し、これにより、31ビット入力、5ビット出力の並列カウンタの使用を可能とし、最大値が5ビットの低減された深さを有する配列を提供する。
【0018】
本発明の実施形態において、非対称遅延を有する縮小論理は、全加算器、半加算器および4−2コンプレッサの任意の組み合わせを具備する。並列カウンタからの出力数が4またはそれ以上の場合、好ましくは4−2コンプレッサが2ビット出力を生成するために使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0019】
以下、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して説明する。
ここで、図1は、従来技術による全加算器および半加算器を図式的に示す図である。
図2は、従来技術による全加算器を用いた並列カウンタを図式的に示す図である。
図3は、乗算のために従来技術において使用されるステップを示す図である。
図4は、図3の処理を更に詳細に図式的に示す図である。
図5は、本発明の実施形態により生成され変形された配列の構造を図式的に示す図である。
図6は、本発明の実施形態による最大長並列カウンタによる縮小後の配列を図式的に示す図である。
図7は、ゲート遅延を示す全加算器の論理回路図である。
図8は、本発明の実施形態による全加算器から構成された4−2コンプレッサ(4 to 2 compressor)を図式的に示す図である。
図9は、本発明の実施形態による4−2コンプレッサを用いた配列縮小の第2ステージのための論理回路を図式的に示す図である。
図10は、4−2コンプレッサを示す図である。
【0020】
図5に示された本実施形態において、二つの16ビット2進数AとBとを乗算するための処理において生成された配列は、係属中のUK出願番号0019287.2および0101961.1、US特許出願番号09/637532、09/759954および09/917257および国際特許出願番号GB01/03415およびGB01/04455に開示された処理により、変形された配列として形成され、その全ての内容は、本明細書の中で引用することにより組み入れられている。図4に示されたような従来技術の配列に対するこの配列の有利点は、カラムにおけるビットの最大数がより小さいことである。従来技術では、16ビットの乗算のためには、カラムは16ビットを有する。図5の配列は4つの15ビットのカラムを有する。
【0021】
配列を縮小するための第1縮小ステップでは、図6に示すように15ビットの最大数から4ビット最大数に低減する並列カウンタを使用する。最大カラムを15ビットから4ビットに低減するために任意の従来の並列カウンタを使用できるが、上記の係属中の出願において開示された並列カウンタを使用することが好ましい。
【0022】
並列カウンタからの4ビットの出力は異なるゲート遅延を有している。一般に、2出力は4ゲート遅延を有し、2出力は5ゲート遅延を有する。しかしながら、配列の縮小のために最大長並列カウンタ(maximal length parallel counter)の形態において単一の論理回路を使用することは回路間の配線(wiring)を著しく低減する。従って、最大長並列カウンタを使用することには、配線についての際立った利益がある。
【0023】
図7は、回路の非対称特性を例示する全加算器の論理回路図である。入力AおよびBは、4ゲート遅延を有する最大長並列カウンタからの出力からなり、従って5ゲート遅延を有する最大長並列カウンタからの出力である回路Cに対する入力と比較して相対的に進む。この例における各ゲート遅延は、最も遅いゲートであるEXORゲートの遅延として表される。ANDおよびORゲートは、0.5の相対的遅延を有すると考えられる。図7は、累積ゲート遅延(the cumulate gate delay)を示し、この図から理解されるように、和Sは、6の累積的なゲート遅延を伴い、且つキャリーCもまた6の累積的なゲート遅延を有する。従って、全加算器は、配列縮小の第1レベルにおける最大長並列カウンタの出力のゲート遅延を補償するために、配列縮小の第2レベルの一部として使用できる。
【0024】
図8は、隣り合った二つの4−2コンプレッサの論理回路図を示し、各コンプレッサは二つの全加算器から構成される。本発明のこの実施形態における論理縮小の第2レベルとして使用される論理の非対称特性を例示するために、相対的ゲート遅延が示されている。
【0025】
図9は、最大長並列カウンタによる縮小の第1レベルに続いて、縮小された配列から4つの各カラムのビットを受け取るために使用される4−2コンプレッサのチェーン(chain)を示す。各カラムについての4−2コンプレッサの出力は2ビットで構成される。そして、この2ビットは、2nビットの2進数の乗算からなる出力2進数を生成するために従来の加算論理回路を用いて加算することができる。
【0026】
図10は、本発明の実施形態による4−2コンプレッサの論理回路図である。
【0027】
このように、本発明のこの実施形態では、配列が生成され、そして本出願の前の発明の配列修正技術に係る配列変形により修正される。この配列は、二つのステージで縮小される。第1ステージは、配列の各カラムを縮小するために単一の並列カウンタを使用すれば乗算論理回路の配線を低減することができるという認識を基礎としている。しかしながら、このことは、悩みの差異のあるゲート遅延を有する出力を生じる結果となる。そこで、本発明は、配列縮小の第2レベルを用いることによりこの問題を改善し、この配列縮小は、入力が相対的に差異のあるゲート遅延を有する論理回路、即ち入力に非対称遅延を与える論理回路を使用する。この方法では、最大長並列カウンタの使用に起因する相対的遅延は、更なる縮小ステップにおいて遅延を生じない。
【0028】
従って、この乗算論理回路は、論理回路におけるゲート遅延のバランスをとるために配線を低減し且つスピードを上げるので高効率である。
【0029】
本発明は、特定の実施形態を参照して本明細書においてこれまで述べられたが、変形が本発明の思想および範囲内にあることは当業者にとって明らかであろう。
【0030】
例えば、本発明は、配列が配列縮小の前に変形(deform)されるという特定の実施形態を参照して本明細書においてこれまで述べられたが、本発明は、アンダーフォーム(underform)された配列の縮小に適用することができる。例えば、配列は、任意の従来技術を用いて生成することができる。ビットの論理的な組み合わせを実行するための任意の論理ゲート演算は、AND、NAND、ORまたはNORゲートのような配列を構成するのに使用できる。更に、この配列は、ブースエンコード(Booth encoding)により生成することができる。
【0031】
本発明において、任意の従来技術の並列カウンタ論理回路は、配列縮小の第1レベルに使用することができる。並列カウンタは、任意のカラム数について使用でき、全カラムについては使用される必要がない。例えば、3ビットを有するカラムについては、全加算器を使用することができる。また、いくつかのカラムについては、並列カウンタよりも全加算器を使用する方が望ましいのかもしれない。並列カウンタを使用することにより低減されるカラム数は、設計上の選択事項である。しかしながら、配列において3ビットよりも多いビットを有する任意のカラムについては、並列カウンタを使用することが望ましいと考えられる。
【0032】
本発明によれば、第2配列縮小ステップは、任意の適当な論理によって実行することができ、その論理のため、出力生成には入力によって得られた差異のある遅延が存在する。
【0033】
本発明において、如何なる形態の並列カウンタでも使用することができるが、好ましい実施形態においては、UK出願番号0019287.2および0101961.1、US特許出願番号09/637532、09/759954および09/917257および国際特許出願番号GB01/03415およびGB01/04455に開示された並列カウンタが使用される。
【0034】
本発明において、乗算論理回路の出力を生成する目的で二つの2進数の加算ステップのために如何なる従来方法も使用することができる。
【0035】
本発明は特定の乗算論理回路を参照して説明されたが、本発明は、また、乗算累積論理回路を備えて乗算を実行する如何なる論理回路(それは、乗算論理回路の特殊なケースと見ることができる)に対しても適用することができる。乗算累積論理回路においては、A×B+Cなる演算が実行される。ここで、Cは以前の乗算の累積である。乗算論理回路について本明細書で前述したように、乗算累積論理回路は、A×Bの配列を生成することにより演算を行う。Cのビットのために付加的なロウ(row)が配列に加えられる。Cは、以前の累積により、AまたはBよりも非常に多くのビットを有する。そして、この増大した配列は、本明細書で述べたように配列縮小を経る。
【0036】
本発明は、本明細書で述べた創意に富んだ乗算論理回路の如何なる設計および製造方法を包含する。本発明は、更にこの創意に富んだ乗算論理回路を特徴づけるコードまたはデータを包含する。また、本発明は、本明細書で述べられた乗算論理回路の創意に富んだ機能性をモデリングするためのコードを包含する。
【0037】
この分野では、論理の特徴および機能性をモデル化するために実行されるコードを用いて論理回路がコンピュータシステム上で設計されるということは良く知られている。このような設計手順の結果、論理の特徴および機能性を規定するコードが得られる。従って、論理回路の特性または機能を規定するコードは、論理設計者(designers)および製造者(builders)が利用できるように生成することができる。設計者のためのコードおよび論理回路の特性または機能を規定するためのコードは、ストレージ媒体のような如何なる適切なキャリア媒体上で利用でき、その媒体例としては、フロッピー(登録商標)ディスク、CD−ROM、テープ装置、もしくは固体記憶装置、または任意タイプの信号のような一時的な媒体があり、その信号例としては、電気信号、光信号、マイクロ波信号、音響信号(acoustic signal)、または磁気信号(例えば、通信ネットワーク上を搬送される信号)がある。
【0038】
このように、スタンダードセルの特性および機能を規定するコードを論理回路のメーカーに供給することが可能になり、且つこのコードを半導体材料における論理回路のメーカーが既知の製造技術を用いて使用することができる。
【0039】
本発明の一つの実施形態では、設計プロセスは、スタンダードセル設計プロセスを用いたスタンダードセルの使用を包含する。設計者は、完全な論理機能又は乗算論理回路の一部を実行するスタンダードセルを設計するために設計プログラムを実行することができる。この設計プロセスは、設計、製作、およびシリコンに形成されたスタンダードセルの試験、および無事に試験されたスタンダードセルを特徴づけるライブラリデータの形成を含む。スタンダードセル設計を特徴づけるこのデータライブラリは、スタンダードセルを用いた論理回路設計に使用することができる情報を含む。このように、このライブラリのデータまたはコードは、スタンダードセルのモデルを規定する論理回路についての特徴を保持する。このデータは、スタンダードセルによって実現される機能モデルと同様に、ジオメトリー(geometry)、パワーおよびタイミング情報を含む。従って、スタンダードセル設計のベンダーは、スタンダードセルライブラリの機能性を用いて特定機能を実行する論理回路の設計を容易化する上で設計者に役立つスタンダードセルコードのライブラリを作成することができる。論理回路設計者は、論理回路、即ちスタンダードセルを用いた乗算論理回路を作成するために、コンピュータモデリングの実施においてスタンダードセル用のコードのライブラリを使用することができる。従って、設計者は、所望の論理回路のモデルを構築するためのコードを使用する設計アプリケーションを実行する。結果として生じるデータは、スタンダードセルの組み合わせに関して、論理回路、即ち乗算論理回路の特性を規定する。そして、このデータは、論理回路設計者によって生成されたモデルデータを使用してチップの設計および製作を行うために、チップメーカーによって使用される。
【0040】
本発明は、本発明による機能を実行するためのスタンダードセルの設計、即ちこの創作に富んだ機能を実行するスタンダードセルの特性を規定するモデルデータの生成を包含する。本発明は、また、スタンダードセルライブラリを用いたこの創作に富んだ乗算論理回路の設計方法、即ちこの創作に富んだ乗算論理回路の特性をモデル化するデータを生成するためのコンピュータプログラムを使用するステップを包含する。本発明は、また、設計データを用いて乗算論理回路を製作するプロセスを包含する。
【0041】
本発明は、特定の実施形態を参照して本明細書において述べられたが、その変形が本発明の思想および範囲内にあることは当業者には明らかである。
【図面の簡単な説明】
【0042】
【図1】従来技術による全加算器および半加算器を図式的に示す図である。
【図2】従来技術による全加算器を用いた並列カウンタを図式的に示す図である。
【図3】乗算のために従来技術において使用されるステップを示す図である。
【図4】図3の処理を更に詳細に図式的に示す図である。
【図5】本発明の実施形態により生成され変形された配列の構造を図式的に示す図である。
【図6】本発明の実施形態による最大長並列カウンタによる縮小後の配列を図式的に示す図である。
【図7】ゲート遅延を示す全加算器の論理回路図である。
【図8】本発明の実施形態による全加算器から構成された4−2コンプレッサを図式的に示す図である。
【図9】本発明の実施形態による4−2コンプレッサを用いた配列縮小の第2ステージのための論理回路を図式的に示す図である。
【図10】4−2コンプレッサを示す図である。
【符号の説明】
【0043】
A,B 入力
C キャリー

Claims (17)

  1. 二つの2進数を乗算するための乗算論理回路であって、
    前記二つの2進数から加算することが要求される二つの2進値の配列を生成するための配列生成論理と、
    前記配列の深さを二つの2進数に縮小するための配列縮小論理と、
    前記2進数の前記2進値を加算するための加算論理と
    を具備し、
    前記配列縮小論理は、
    前記配列のそれぞれのカラムにおける全ての2進数の前記2進値を受け取り且つ2進数を出力するための複数の2進カウンタを有する第1配列縮小論理と、
    前記論理への入力に非対称遅延を与えると共に前記入力で前記並列カウンタから前記2進数を受け取り且つ前記2進数を前記加算論理に出力するための第2配列縮小論理と
    を具備する乗算論理回路。
  2. 前記第1配列縮小論理は、それぞれのカラムにおける2進数の2進値を加算するための加算論理を具備することを特徴とする請求項1に記載された乗算論理回路。
  3. 前記加算論理は、少なくともひとつの全加算器を具備することを特徴とする請求項2に記載された乗算論理回路。
  4. 前記加算論理は、3又はそれよりも少ないビットを有する前記配列におけるカラムについて2進数の2進値を加算するように構成されたことを特徴とする請求項2または3に記載された乗算論理回路。
  5. 前記第2配列縮小論理は、全加算器、半加算器、および4−2コンプレッサ論理のうちの任意の一つまたは組み合わせを具備することを特徴とする請求項1ないし4の何れか1項に記載された乗算論理回路。
  6. 前記配列生成論理は、論理的な組み合わせの配列として2進値の配列を生成するために、一方の2進数における各ビットと他方の2進数における各ビットとの間の論理的組み合わせを実行するように構成されたことを特徴とする請求項1ないし5の何れか1項に記載された乗算論理回路。
  7. 前記配列生成論理は、論理積の組み合わせの配列として2進値の前記配列を生成するために、一方の2進数における各ビットと他方の2進数における各ビットとの間の論理積演算を実行するように構成されたことを特徴とする請求項6に記載された乗算論理回路。
  8. 請求項1ないし7に記載された乗算論理回路を具備する乗算累積論理回路であって、前記配列生成論理は、以前の乗算の累積を有するように構成されたことを特徴とする乗算累積論理回路。
  9. 請求項1ないし8の何れか1項に記載された論理回路を具備する集積回路。
  10. 請求項1ないし9の何れか1項に記載された論理回路を具備するデジタル電子装置。
  11. 請求項1ないし7の何れか1項に記載された乗算論理回路の設計方法であって、
    前記乗算論理回路の特性を規定する情報を生成するためのコンピュータプログラムを実行するステップを具備する設計方法。
  12. 前記情報は、コードとして生成されることを特徴とする請求項11に記載された設計方法。
  13. 請求項11または12の方法を実行するコンピュータを制御するためのコンピュータ読み取り可能なコードを収容するキャリア媒体。
  14. 請求項11または12の方法を用いて生成されたコードを収容するキャリア媒体。
  15. 請求項1ないし7の何れか1項に記載された乗算論理回路を設計するための設計システムであって、前記乗算論理回路の特性を規定する情報を生成するためのコンピュータシステムを具備する設計システム。
  16. 請求項1ないし7の何れか1項に記載された乗算論理回路の特性を規定するモードを収容するキャリア媒体。
  17. 請求項1ないし7の何れか1項に記載された乗算論理回路の製作方法であって、前記乗算論理回路の特性を規定するコードに従って半導体材料に前記乗算論理回路を設計し、そして形成するステップを具備する製作方法。
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