Հայաստանի ատենախոսությունների բաց մատչելիության պահոց = Open Access Repository of the Armenian Electronic Theses and Dissertations (Armenian ETD-OA) = Репозиторий диссертаций Армении открытого доступа

Ինտեգրալ սխեմաների ավտոմատացված ֆիզիկական նախագծումը սխեմատեխնիկական առանձնահատկությունների հաշվառմամբ

Մարտիրոսյան, Արման Ռաֆիկի (2019) Ինտեգրալ սխեմաների ավտոմատացված ֆիզիկական նախագծումը սխեմատեխնիկական առանձնահատկությունների հաշվառմամբ. PhD thesis, Հայաստանի ազգային պոլիտեխնիկական համալսարան.

[img] PDF (Thesis)
Available under License Creative Commons Attribution.

Download (2703Kb)
    [img] PDF (Abstract)
    Available under License Creative Commons Attribution.

    Download (926Kb)

      Abstract

      Развитие в области микроэлектроники характеризуется технологическим масштабированием интегральных схем (ИС), что приводит к значительному увеличению взаимосвязи их основных параметров. Учет взаимосвязи между схемотехническими и физическими параметрами становится одной из важнейших задач при автоматизированном проектировании ИС. На этапе автоматизации физического проектирования цифровых ИС, с точки зрения учета схематических особенностей, наиболее важным являются учет снижения быстродействия, вызванное задержкой в межсоединениях и обусловленное логикой схемы воздействие рабочих мощностей элементов на тепловую надежность ИС. Таким образом, параллельно с развитием микроэлектронной технологии, повышается актуальность разработки таких автоматизированных средств физического проектирования ИС, которые обеспечат получение физических структур, учитывающих схемотехнические особенности и отвечающих функционально-логическим требованиям проектируемых схем. Как известно, время цикла обработки информации в ИС формируется из задержки в межсоединениях и элементах схемы. Если задержки элементов становятся известными на этапе схемотехнического проектирования, то задержки в межсоединениях определяются только в следствие физического проектирования, то есть после трассировки межсоединений. Однако, учитывая тот факт, что результаты трассировки в значительной мере зависят от размещения элементов, становится очевидной значимость учета задержки сигнала на этапе размещения. При этом предполагается, что большим топологическим расстояниям между размещенными элементами будут соответствовать более длинные межсоединения и, как следствие, более длительные задержки, и наоборот. Для уменьшения задержки в межсоединениях и в следствие этого увеличения быстродействия ИС в настоящее время в системах автоматического проектирования (САПР) внедряются способы размещения элементов, учитывающие задержки в цепях. Такой подход к размещению принято называть размещением по времени. Таким образом, при размещении элементов решение проблемы учета задержки в межсоединениях основано на анализе временных входных-выходных путей схемы и применении методов размещения по времени. Существующие методы размещения по времени можно классифицировать на два класса: основанные на пути и основанные на цепи. Подход, основанный на пути, предполагает выявление определяющих входных-выходных путей схемы и итерационное переразмещение элементов таким образом, чтобы элементы, на определяющих путях, были размещены как можно ближе друг к другу. Это основной подход, используемый в настоящее время в промышленных САПР. Недостатком этого подхода является то, что при уменьшении задержек на определяющих путях схемы очень часто приводит к появлению новых определяющих путей с еще более большими задержками. Методы, основанные на цепях, предполагают управление длиной каждой цепочки во время размещения элементов в зависимости от степени их воздействия на быстродействие схемы. Недостатком этого подходя является сложность программной реализации и управления длиной цепей на этапе размещения. Общим недостатком этих двух классов является то, что они не учитывают особенности функционально-логической работы цифровых схем, что особенно важно при физическом проектировании современных нанометровых ИС. Для преодоления этого недостатка в настоящей диссертации предложен и разработан новый подход к синтезу физической структуры логических блоков, основанный на ранжировании логической схемы и в следствие учета логики работы схемы приводящий к уменьшению длин межсоединений и как следствие – к уменьшению задержек в них, тем самым способствуя увеличению быстродействия схемы. С другой стороны, с точки зрения схемотехнических особенностей, становится важным значительное возрастание удельной мощности рассеивания на полупроводниковом кристалле ИС, что приводит к появлению локальных топологических нагретых зон, и как следствие, к росту теплового градиента на поверхности подложки ИС. В современных ИС рабочие температуры полупроводникового кристалла могут достигать свыше 1000С, а разность температур между различными зонами кристалла - свыше 10-200С. Это приводит к резкому понижению тепловой надежности ИС, так как в соответствии с законом Блейка, тепловая надежность экспоненциально зависит от температуры. Одним из наиболее эффективных способов решения этой проблемы является разработка и использование методов и алгоритмов физического проектирования ИС, которые обеспечат выравнивание теплового поля на подложке интегральных схем, тем самым снижая температуры в локальных областях с высокой температурой. Так как в этих алгоритмах ключевую роль играют потребляемые мощности элементов, то с точки зрения учета взаимосвязи между логическим и физическим уровнями проектирования цифровых схем важной задачей является оценка рабочих потребляемых мощностей логических элементов. Вопрос в том, что рабочая потребляемая мощность некоторого логического элемента может меняться в широких пределах в зависимости от структуры и быстродействия логической схемы куда входит данный элемент, места данного элемента в схеме и от характера обрабатываемой информации. С учетом вышесказанного, при переходе от логического проектирования ИС к физическому, важной задачей является учет значений рабочих мощностей логических элементов при их размещении на подложке ИС. При оценке динамической составляющей мощностей логических элементов, необходимо учитывать не только тип и параметры данного элемента, но и активность переключений данного элемента в схеме. Таким образом, с точки зрения учета особенностей работы логической схемы на этапе физического проектирования, актуальной становится разработка методов размещения логических элементов с учетом их рабочих мощностей. Для решения указанных задач предлагаются новые подходы к синтезу физической структуры логических блогов, первый из которых основан на автоматизированном синтезе физического “мягкого” блока путем ранжирования логической схемы, с дальнейшим преобразованием полученного “мягкого” блока в “жесткий. предназначен для уменьшения длин в межсоединениях и, как следствие, задержек в них. Второй подход основан на оценке и учете динамических мощностей элементов на этапе их размещения. Если принять, что статический компонент мощности практически не зависит от логики работы схемы, то для оценки мощностей на этапе размещения элементов может использоваться только динамический компонент мощностей. Способы методического, алгоритмического и программного обеспечения автоматизированного физического проектирования ИС с учетом схемотехнических особенностей и задач, присущих нанометрическим технологиям. Разработка и исследование эффективных методов, алгоритмов и программных средств автоматизированного синтеза физических структур ИС (размещения элементов), с учетом схемотехнических особенностей (быстродействия и динамической мощности). Методы исследования. При выполнении диссертации были использованы методы логического анализа цифровых ИС, статического временного анализа, временного и теплового размещения элементов, теория графов и теории вероятностей, а также программное обеспечение автоматизированных систем – методы объектно-ориентированного моделирования с помощью библиотеки QT. В ходе выполнения комплексных исследований были получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной: Разработаны новый метод синтеза физической структуры цифровых схем и соответствующее программное обеспечение процесса автоматизированного проектирования ИС, основанные на ранжировании логической схемы, получении “мягкого” физического блока путем поиска в ширину в графе и преобразовании “мягкого” физического блока в “жесткий” с применением модифицированного барицентрического алгоритма, в следствие чего, на этапе физического проектирования, повышается эффективность учета схемотехнических особенностей благодаря уменьшению длин межсоединениий, уменьшению задержек и следовательно повышению быстродействия схемы. Предложен новый метод синтеза физического ''жесткого'' блока, в процессе автоматизированного проектирования ИС, основанное на применении барицентрического модифицированного алгоритма, что способствует формированию физической структуры, соответствующей логике работы схемы. Предложен метод оценки рабочих динамических мощностей логических элементов и основанное на этом средство автоматизированного теплового размещения, которое дало возможность в отличие от известных методов, учитывать логику работы схемы, что в свою очередь приводит к повышению тепловой надежности схемы. Предложенные в диссертации все основные методы и теоретические результаты были реализованы в виде двух программных инструментов автоматизации физического проектирования ИС, учитывающих схемотехнические особенности. Первый из них – программный инструмент SHBM, из Verilog описания вентильного уровня, автоматизированным способом синтезирует блоки с физически ''мягкой'' и ''жесткой'' структурой, которые учитывают особенности сигнальных потоков в схеме и способствуют повышению быстродействия схемы. Второй программный инструмент, предназначенный для теплового размещения элементов ИС, учитывающий рабочие динамические мощности, зависящие от типа элементов и логики их работы в схеме. Разработанные программные средства (инструменты) реализованы для среды C ++ 17, Qt5.12 и предназначены для употребления в операционных системах GNU / Linux и Windows. Созданные инструменты могут быть использован как отдельное средство размещения, так и могут интегрироваться в существующие САПР как подсистема размещения элементов. Достоверность научных положений подтверждена результатами теоретического обоснования и применения методов, алгоритмов и программных инструментальных средств автоматизации, для размещения элементов ряда тестовых схем с последующим сравнением результатов как с традиционными методами, так и с результатами полученными коммерческим САПР. Разработанное программное обеспечение ''Soft and Hard block maker'' (SHBM) внедрено в ЗАО ''Синопсис Армения''. Оно используется для размещения элементов с учетом временных схемотехнических особенностей при физическом проектировании ИС. Ինտեգրալ սխեմաների (ԻՍ) զարգացումը բնութագրվում է տեխնոլոգիական մասշտաբավորմամբ, ինչը հանգեցնում է դրանց հիմնական պարամետրերի փոխկապվածությունների զգալի աճին: Սա ԻՍ-երի նախագծման ժամանակ կարևորում է սխեմատեխնիկական և ֆիզիկական պարամետրերի միջև փոխկապվածությունները հաշվի առնելը: Թվային ԻՍ-երի ֆիզիկական նախագծման փուլում, սխեմատեխնիկական առանձնահատկությունները հաշվի առնելու տեսանկյունից, այդ փոխկապվածություններից առավել կարևորվում են միջմիացումներում առաջացող հապաղումներով պայմանավորված արագագործության անկումը և սխեմայի տրամաբանությամբ պայմանավորված տարրերի աշխատանքային հզորությունների ազդեցությունը ջերմային հուսալիության վրա: Այս պայմաններում, միկրոէլեկտրոնային տեխնոլոգիաների մասշտաբավորմանը զուգընթաց, անհրաժեշտություն է առաջանում ԻՍ-երի ավտոմատացված ֆիզիկական նախագծման մեթոդների անընդհատ կատարելագործման և այնպիսի նոր մեթոդների մշակման, որոնք հնարավորինս հաշվի կառնեն դրանց սխեմատեխնիկական առանձնահատկությունները: Դա է պատճառը, որ ներկայումս հրատապ է դառնում, ԻՍ-երի ֆիզիկական նախագծման կարևորագույն փուլի՝ տեղաբաշխման այնպիսի մեթոդների և ալգորիթմների մշակումը, որոնք, հաշվի առնելով ենթամիկրոնային տեխնոլոգիաներին բնորոշ իրողությունները, կապահովեն անհրաժեշտ որակի նախագծային լուծումներ: Վերջիններս, իրենց հերթին, կարող են մեկնարկային լավ պայմաններ ապահովել հետագա լավարկումների համար: Հետազոտության առարկան սխեմատեխնիկական առանձնահատկու-թյունների և նանոչափական տեխնոլոգիաներին բնորոշ մարտահրավերների հաշվառմամբ ԻՍ-երի ավտոմատացված ֆիզիկական նախագծման մեթոդական, ալգորիթմական և ծրագրային ապահովման միջոցներն են: Աշխատանքի նպատակն է սխեմատեխնիկական առանձնահատկու-թյունների հաշվառմամբ (արագագործություն և դինամիկ հզորություն) թվային ԻՍ-երի ֆիզիկական կառուցվածքների ավտոմատացված սինթեզի (տարրերի տեղաբաշխման) արդյունավետ մեթոդների, ալգորիթմների և ծրագրային գործիքների մշակումը և հետազոտումը։ Ժամանակակից նանոմետրական ԻՍ-երի ֆիզիկական նախագծման մարտահրավերների և առկա իրողությունների վերլուծության արդյունքում հիմնավորված է այն փաստը, որ ԻՍ-երի որոշ ֆիզիկական պարամետրերի ազդեցությունը նրանց աշխատանքի ֆունկցիոնալ-տրամաբանական որակների վրա դարձել է որոշիչ [1-6]: Հիմնավորված է, որ որպես ԻՍ-երի ավտոմատացված ֆիզիկական նախագծման փուլում սխեմատեխնիկական առանձնահատկությունները հաշվի առնելու հիմնական միջոց կարող է ծառայել տարրերի տեղաբաշխման խնդրի լուծման այնպիսի մեթոդների մշակումը, որոնք հաշվի կառնեն սխեմայի աշխատանքի վրա ազդող առավել կարևոր պարամետրերը: Այդ պարամետրերից, իրենց կարևորությամբ, առանձնանում են միջիացումներով պայմանավորված հապաղումները և կիսահաղորդչային բյուրեղի վրա տեսակարար հզորության աճով պայմանավորված հուսալիությունը [2-4,6]: Առաջարկվել են ԻՍ-երի տարրերի տեղաբաշխման փուլում միջմիացումներով պայմանավորված հապաղումները հաշվի առնող նոր մեթոդ և դրա ավտոմատացման ծրագրային միջոց, որը, ի տարբերություն ժամանակով ուղղորդված տեղաբաշխման առկա մեթոդների, հաշվի է առնում սխեմայում տեղեկույթի մշակման տրամաբանական հաջորդականությունը: Այն հիմնված է տրամաբանական սխեմայի ռանգավորման և ֆիզիկական «փափուկ» ու «կոշտ» բլոկների ավտոմատացված սինթեզի վրա և միտված է միջմիացումների երկարության և, հետևաբար, դրանցում հապաղումների նվազեցմանը [1-3,6]: The development of integrated circuits (ISs) is characterized by their technological expansion, which leads to a significant increase in the interconnection of the IC basic parameters. This highlights the consideration of the interconnections between the physical and physical parameters while designing IC. From the point of view of taking into account schematic features at the physical design phase of the digital IC, performance decline caused by the delays in interconnections and the impact of the elements working capacity on thermal reliability associated with the circuit logic is more important than the interconnection.Under these circumstances, parallel to the expansion of microelectronic technologies, there is a need to constantly improve ICs automated physical design and to develop new methods that will take into account their schematic features. That's why it is now urgent the development of methods and algorithms for allocation of the most important phase of physical design, which will provide the necessary quality design solutions while taking into account the realities of sub-micron technology. The latters, in their turn, can provide good starting conditions for further upgrades. The subject of the research is the methodological, algorithmic and software means of IC automated physical design, taking into account the schematic features and challenges inherent to nanometric technology. The purpose of the work is to develop and analyze effective methods, algorithms and software tools for the digital IC automated synthesis of physical structures (elements placement) based on the schematic features (high performance and dynamic capacity). As a result of the modern nanometric IC physical design challenges and the analysis of the existing reality the fact that the effect of ICs some physical parameters on their functional-logical qualities has become crucial is stated [1-6]. It is stated that the main way to consider schematic features at the phase of IC automated physical design can be the development of methods for solving the problem of element placement, which will take into account the most important parameters affecting the circuit's performance. From these parameters, their importance is due to interconnection-dependent delays and the reliability due to the increase of specific power over the semiconductor crystal [2-4,6]. It is proposed a new method which accounting delays conditioned by interconnections in the IC elements placement phase and its automation software, which, in contrast to the available time-based placement methods, takes into account the logical sequence of information processing in the circuit. It is based on the logic circuit ranking and the automated synthesis of physical "soft" and "hard" blocks and is intended to reduce the length of interconnections and hence the delay in them [1-3,6]. The method of the logical elements dynamic capacity evaluation, depending on the element type, circuit logic and elements position in circuit, has been proposed. This allowed, in contrast to existing methods of elements heat placement, to consider the logic of the circuit, which in its turn causes the thermal reliability of the circuit [4]. Subsystem o

      Item Type: Thesis (PhD)
      Additional Information: Автоматизированное физическое проектирование интегральных схем с учетом схематехнических особенностей. Automated physical design of integrated circuits with account of schematic specifications.
      Uncontrolled Keywords: Мартиросян Арман Рафикович, Martirosyan Arman Rafik,
      Subjects: Control, Automation and Electrical Engineering
      Divisions: UNSPECIFIED
      Depositing User: NLA Circ. Dpt.
      Date Deposited: 09 Oct 2019 15:59
      Last Modified: 31 Oct 2019 11:35
      URI: http://etd.asj-oa.am/id/eprint/10707

      Actions (login required)

      View Item