Given a Boolean relational specification between inputs and outputs, the problem of functional synthesis is to construct a function that maps each assignment of the input to an assignment of the output such that each tuple of input and output assignments meets the specification. The past decade has witnessed significant improvement in the scalability of functional synthesis tools, allowing them to handle problems with tens of thousands of variables. A common ingredient in these approaches is their reliance on SAT solvers, thereby exploiting the breakthrough advances in SAT solving over the past three decades. While the recent techniques have been shown to perform well in practice, there is little theoretical understanding of the limitations and power of these approaches. The primary contribution of this work is to initiate a systematic theoretical investigation into the power of functional synthesis approaches that rely on NP oracles. We first show that even when small Skolem functions exist, naive bit-by-bit learning approaches fail due to the relational nature of specifications. We establish fundamental limitations of interpolation-based approaches, proving that even when small Skolem functions exist, resolution-based interpolation must produce exponential-size circuits. We prove that access to an NP oracle is inherently necessary for efficient synthesis. Our main technical result shows that it is possible to use NP oracles to synthesize small Skolem functions in time polynomial in the size of the specification and the size of the smallest sufficient set of witnesses, establishing positive results for a broad class of relational specifications.


翻译:给定输入与输出之间的布尔关系规约,功能综合问题旨在构造一个函数,将每个输入赋值映射至一个输出赋值,使得每个输入与输出赋值的元组均满足该规约。过去十年间,功能综合工具的可扩展性取得了显著提升,使其能够处理具有数万个变量的问题。这些方法的共同要素在于对SAT求解器的依赖,从而利用了近三十年来SAT求解领域的突破性进展。尽管近期技术在实践中表现出色,但关于这些方法局限性与能力的理论理解仍较为缺乏。本工作的主要贡献在于对依赖NP预言机的功能综合方法的能力展开系统性理论研究。我们首先证明,即使存在小型Skolem函数,由于规约的关系特性,逐比特学习的朴素方法仍会失效。我们建立了基于插值方法的基本局限性,证明即使存在小型Skolem函数,基于归结的插值必然产生指数规模的电路。我们证明访问NP预言机对于高效综合具有内在必要性。我们的主要技术结果表明,利用NP预言机可在规约规模与最小充分见证集规模的多项式时间内综合出小型Skolem函数,从而为广泛的关系规约类别建立了积极结论。

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