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

Ենթամիկրոնային թվային ինտեգրալ սխեմաներում տարրերի նախնական տեղաբաշխման տեսական հիմունքների և գործիքամիջոցների մշակումը

Հարությունյան, Աշոտ Գևորգի (2018) Ենթամիկրոնային թվային ինտեգրալ սխեմաներում տարրերի նախնական տեղաբաշխման տեսական հիմունքների և գործիքամիջոցների մշակումը. Doctor of Sciences thesis, Հայաստանի ազգային պոլիտեխնիկական համալսարան.

[img]
Preview
PDF (Abstract)
Available under License Creative Commons Attribution Non-commercial.

Download (1163Kb) | Preview
    [img]
    Preview
    PDF (Thesis)
    Available under License Creative Commons Attribution Non-commercial.

    Download (4Mb) | Preview

      Abstract

      Կիսահաղորդչային արդյունաբերության ասոցիացիայի կանխատե-սումների համաձայն՝ ինտեգրալ սխեմաների (ԻՍ) ֆիզիկական նախագծման փուլում, ենթամիկրոնային տեխնոլոգիաներին բնորոշ իրողությունների պայմաններում, հիմնական բնութագրերի բարելավման տեսանկյունից առավել գերակա են դարձել արագագործությունը և ջերմային ռեժիմը: Ներկայումս ԻՍ-երի ֆիզիկական նախագծման հիմնարար փուլը տարրերի տեղաբաշխումն է, որով կապակցված են ֆիզիկական նախագծման մնացած բոլոր խնդիրները: Մյուս կողմից՝ ԻՍ-երի ֆիզիկական նախագծման արդյունավետության բարձրացման հիմնական ուղին նախագծման այնպիսի մեթոդների մշակումն է, որոնք էապես կկրճատեն նախագծման իտերացիաների քանակը: Վերջինս, նախ և առաջ, պահանջում է լավարկման փուլի ժամկետների կրճատում, որն էլ, իր հերթին, մեծապես կախված է նախնական փուլով պայմանավորված լավարկման մեկնարկի որակական բնութագրերից: Դա է պատճառը, որ ներկայումս հրատապ է դառնում, հաշվի առնելով, ենթամիկրոնային տեխնոլոգիաներին բնորոշ իրողություններ, ԻՍ-երի ֆիզիկական նախագծման կարևորագույն փուլի՝ տեղաբաշխման այնպիսի մեթոդների և ալգորիթմների մշակումը, որոնք կապահովեն անհրաժեշտ որակով նախնական լուծումներ: Վերջիններս, իրենց հերթին, կարող են մեկնարկային լավ պայմաններ ապահովել լավարկման փուլի համար: Ատենախոսությունը նվիրված է ենթամիկրոնային թվային ԻՍ-երի տարրերի նախնական տեղաբաշխման տեսական հիմունքների, մոդելների, մեթոդների, ալգորիթմների և համապատասխան գործիքամիջոցների մշակմանը: Աշխատանքի նպատակն է ԻՍ-երի տարրերի նախնական տեղաբաշխման այնպիսի չափանիշների, ալգորիթմների և նախագծման գործիքամիջոցների մշակումն ու կիրառումը, որոնք հաշվի կառնեն ենթամիկրոնային տեխնոլոգիաներին բնորոշ կարևորագույն իրողությունները՝ հանդիսացող միջմիացումներով պայմանավորված արագագործության և ջերմային ռեժիմի պահանջները: Դրանք պետք է թույլ տան ավելի լավ մեկնակետ ապահովել վերջնական տեղաբաշխման փուլի համար՝ նվազեցնելով լավարկման բազմապատիկ ընթացակարգերի ծավալը: Մշակվել է ԻՍ-երում տարրերի նախնական տեղաբաշխման խնդրի ձևայնացված դրվածքը՝ որպես բազմապարամետրական քառակուսային նշանակման խնդիր [21, 23, 30]: Առաջարկվել են ենթամիկրոնային ԻՍ-երի տարրերի ժամանակով ուղղորդված նախնական տեղաբաշխման նոր չափանիշ, մեթոդ և ալգորիթմ, որոնք, շղթաների ժամանակային պարամետրերը գնահատելով և հաշվի առնելով, ապահովում են ապագա միջմիացումների երկարությունների կառավարումն ըստ դրանց ժամանակային պահուստների: Դրա հաշվին որոշիչ շղթաների միջմիացումների երկարությունները 28...30% կրճատվում են՝ նպաստելով սխեմայի արագագործության բարձրացմանը [1, 2, 5, 6, 11, 14, 15, 22, 23]: Մշակվել են ԻՍ-երի ֆիզիկական նախագծման վաղ փուլերում բազմաճյուղ շղթաների երկարությունների մոդելավորման և գնահատման մեթոդ և ալգորիթմ, որոնք, ներկայումս օգտագործվող կիսապարագծային մոդելի համեմատ, ապահովում են գնահատման շուրջ 25%-ով ավելի մեծ ճշտություն [1, 5, 6, 10, 18, 22, 23]: Առաջարկվել են ԻՍ-երի տարրերի ժամանակով ուղղորդված նախնական տեղաբաշխման սկզբունք, ալգորիթմ և գործիքամիջոց, որոնք, ի տարբերություն գոյություն ունեցողների, տարրերի տեղաբաշխումը կատարում են շղթաների դիրքերի նախնական տեղորոշման հիման վրա, դրանով իսկ նպաստելով սխեմայի մուտքերից դեպի ելքեր ազդանշանների տարածման ուղիների ժամանակային համահավասարեցմանը: Այն, առավելագույն պահուստով շղթաների համեմատ, ապահովում է որոշիչ շղթաների հապաղում-ների 20...80% նվազում՝ կախված սխեմայի բարդությունից [19, 20, 23, 25]: Մշակվել են ԻՍ-երի տարրերի նախնական ջերմային տեղաբաշխման նոր չափանիշ, մեթոդ և ալգորիթմ որոնք տարրերի էներգասպառման հավասարաչափ տոպոլոգիական բաշխման շնորհիվ, նպաստում են կիսահաղորդչային բյուրեղի վրա ջերմային դաշտի համահարթեցմանը և ԻՍ-ի ջերմային հուսալիության բարձրացմանը: Նշված մոտեցումն իրագործվել է նաև բազմապարամետրական տեղաբաշխման տարբերակով և ապահովել է տարրերի էլեկտրական կապվածության, սխեմայի արագագործության և ջերմային ռեժիմի 20...30 % բարելավում՝ միջմիացումների գումարային երկարության ոչ ավելի, քան 20% աճի պայմաններում [3, 4, 7, 8, 9, 12, 23, 24, 26, 28, 29, 30, 31, 32, 33]: Առաջարկվել են եռաչափ ԻՍ-երի տարրերի տեղաբաշխման մեթոդ և գործիքամիջոց, որոնք ապահովում են տարրերի էներգասպառումների համահարթեցման մեծացում 33...85% -ով և միջմիացումների գումարային երկարության նվազում 40...50%.-ով [23, 27, 33]: Մշակվել են ջերմաէլեկտրական նմանակման սկզբունքի վրա հիմնված ԻՍ-երի տարրերի տեղաբաշխման, ջերմային դաշտի մոդելավորման և գրաֆիկական արտապատկերման մեթոդ և գործիքամիջոց, որոնք հնարավորություն են տալիս օգտագործողին երկխոսական ճանապարհով կայացնել վճիռներ տարրերի ջերմային տեղաբաշխման տեսանկյունից, ինչպես նաև ապահովել փոխզիջում մոդելավորման ճշտության և ժամանակի միջև [13, 16, 17, 23, 29, 32, 34]: According to the predictions of the Semiconductor Industry Assocacion road, in terms of realities, characteristic of submicron technologies from the perspective of improving the basic characteristics in the physical design phase of integrated circuits (IC), the performance and thermal mode are the most common. At present, the placement of cells is the fundamental phase of physical design of ICs, which addresses all other physical design problems. On the other hand, the main way to increase the efficiency of physical design of ICs is the development of such design methods that will significantly reduce the number of iterations of the design. The latter is firstly conditioned by a reduction in the timing of optimization phase, which, in its turn, largely depends on the qualitative characteristics of the of initial stage. This is the reason that it is now becoming urgent to develop methods and algorithms of initial solutions of needed quality in placement - the most important phase of IC physical design, taking into account the realities, characteristic of submicron technology. Развитие методов проектирования интегральных схем (ИС) обусловлено масштабированием их технологии производства, что подразумевает непрерывное уменьшение допустимых литографических размеров. Параллельно с технологическим масштабированием усиливается влияние физической реализации и параметров ИС на их электрические и функциональные характеристики. Мировые лидеры автоматизации электронного проектирования (компании Synopsys, Cadence, Menthor Graphics (Siemens) и т.д.) в своих последних исследованиях основным путем повышения эффективности физического проектирования ИС считают создание и использование таких методов, алгоритмов и маршрутов проектирования, которые существенно сокращают количество проектных итераций. Сокращение времени проектирования в первую очередь связано со снижением временных расходов этапа оптимизации, которое, в свою очередь, во многом зависит от обусловленных начальными этапами стартовых качественных условий оптимизации. В настоящее время размещение элементов является основополагающим этапом, связывающим все остальные задачи физического проектирования ИС. Согласно традиционному определению, размещение - это определение точных геометрических мест элементов. В качестве размещаемых элементов могут выступать логические вентили, стандартные и макроячейки, блоки интеллектуальной собственности и т.д. На практике отсутствует обобщенный формальный критерий размещения, а со смысловой точки зрения, качество размещения оценивается в соответствии с обеспечением наилучших условий для решения последующей задачи трассировки межсоединений. Это связано с тем, что инструменты трассировки, используемые в различных системах автоматизированного проектирования, основаны на одних и тех же алгоритмах, и, следовательно, окончательные качественные характеристики проекта больше предопределяются возможностями и получаемыми результатами применяемых инструментов размещения. Согласно прогнозам Ассоциации полупроводниковой индустрии, в условиях, присущих субмикронным технологиям реалий, с точки зрения улучшения основных характеристик на этапе физического проектирования ИС, наиболее доминирующими являются быстродействие и энергопотребление. Важность обеспечения быстродействия на этапе физического проектирования обусловлена тем, что при технологиях 90 нм и меньше средняя задержка межсоединений порой становится соизмеримой, а иногда существенно больше средней задержки транзистора. Последнее обстоятельство, с точки зрения быстродействия схемы, выдвигает принципиально новые требования к задаче размещения и подчеркивает важность разработки и применения критериев, способствующих повышению быстродействия. Например, уже при технологии 32 нм задержка в межсоединении длиной в 1 мм в несколько сотен раз превышает задержку сигнала в одном логическом вентиле, а в целом 80…90% задержек ИС приходится именно на межсоединения. Так как от результатов размещения зависят, в основном, успешность трассировки и длины межсоединений, следовательно, размещение в большей степени может способствовать обеспечению быстродействия схемы. По этой причине в настоящее время одной из важнейших задач физического проектирования ИС считается учет задержек в цепях распространения сигналов при размещении элементов с точки зрения обеспечения быстродействия как отдельных межсоединений, так и схемы в целом. Такой подход к задаче размещения принято называть размещением, направляемым временем. На этапе физического проектирования субмикронных ИС следующей важной проблемой является обеспечение теплового режима. В услових неубывающе высокого уровня энергопотребления постоянный рост интеграции ИС приводит как к повышению температуры полупроводникового кристалла, так и к росту теплового градиента. В субмикронных ИС рабочая температура полупроводникового кристалла может превысить 1000C, а перепады температур в различных зонах кристалла - десятки градусов. Высокая температура отрицательно сказывается на надежности ИС. С этой точки зрения эффективным способом повышения надежности может быть такое размещение элементов на поверхности полупроводникового кристалла, которое будет способствовать топологическому выравниванию теплового поля и понижению температур наиболее опасных с точки зрения надежности горячих зон кристалла. Параллельно с увеличением степени интеграции ИС повышение значимости задачи размещения обусловлено следующими факторами: размещение в первом приближении определяет качество дальнейшей трассировки; увеличение роли межсоединений с точки зрения задержек распространения сигнала в них; увеличение удельного энергопотребления на полупроводниковом кристалле, что приводит как к повышению рабочих температур, так и росту теплового градиента между различными участками ИС. Обобщая вышесказанное, можно констатировать, что в настоящее время становится актуальной разработка таких методов, алгоритмов и других средств важнейшего этапа физического проектирования ИС –размещения, которые с учетом присущих для субмикронным технологий реалий и за счет потребления малых машинных ресурсов обеспечат необходимое качество начальных проектных решений, что, в свою очередь, позволит создать хорошие стартовые условия для этапа оптимизации. Тем самым повысится качество проектов и сократятся сроки процесса проектирования. Исходя из важности описанной задачи, в настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию средств начального размещения элементов в цифровых ИС с учетом реалий современных субмикронных технологических процессов, имеющих целью обеспечение необходимого качества проектируемых ИС, а также повышение эффективности процесса проектирования. Несмотря на определенный успех в направлении решения отмеченной задачи, существующие средства имеют следующие основные недостатки: с точки зрения обеспечения быстродействия ИС, основное внимание уделяется фазе оптимизации размещения, что в условиях неуклонного роста интеграции приводит к неприемлемому увеличению времени проектирования; тепловое размещение элементов ИС рассматривается независимо от других важных параметров, а в промышленных инструментах оно, как правило, вовсе отсутствует; отсутствует обобщенный подход к многопараметрическому начальному размещению элементов цифровых ИС с учетом важнейших параметров, продиктованных субмикронными технологиями. Исходя из вышесказанного, возникла крайняя необходимость создания теоретических основ и инструментальных средств начального размещения элементов в субмикронных цифровых ИС. В диссертации выявлены требования к средствам размещения элементов ИС. Для обеспечения этих требований необходимо разработать: новые и улучшенные средства оценки временных параметров межсоединений на ранних этапах проектирования ИС; Эулучшенные модели межсоединений, соответствующие повышению их роли; критерии, методы и инструментальные средства, позволяющие с учетом предполагаемых задержек распространения сигнала в будущих межсоединениях управлять процессом размещения; улучшенные средства моделирования тепловых режимов физических структур ИС; критерии, методы и инструментальные средства теплового размещения элементов субмикронных ИС, обеспечивающие топологическое выравнивание теплового поля полупроводникового кристалла в условиях приемлемого компромисса с другими конструктивными характеристиками; многопараметрические методы начального размещения элементов ИС; средства моделирования и графической визуализации теплового режима физических структур ИС, адаптируемые для использования на этапе начального размещения элементов. Методическое, математическое, алгоритмическое и программное обеспечения начального размещения элементов ИС с учетом характерных для субмикронных технологий реалий. Цель работы. Разработка теоретических основ, моделей, методов, алгоритмов и соответствующих инструментальных средств начального размещения элементов субмикронных цифровых ИС. Решение этой задачи классифицируется как научно обоснованное техническое решение разработки средств физического проектирования ИС, способствующее в значительной степени научно-технологическому прогрессу отрасли. Методы исследования. При выполнении диссертации были использованы методы физического синтеза и анализа цифровых ИС, методы статического временного анализа, основные положения теории теплообмена и теории графов, методы комбинаторной оптимизации. В диссертации получены результаты, научная новизна которых сводится к следующему: Предложена формализованная постановка задачи начального размещения элементов ИС как задачи многопараметрического квадратичного назначения, что позволило её организовать последовательностью высокоскоростных процедур размещения, одновременно учитывающих электрическую связанность элементов, задержки межсоединений и тепловой режим. Предложены критерий и метод размещения элементов субмикронных цифровых ИС, направляемого временем, обеспечивающие управление длинами будущих межсоединений по резервам времени соответствующих цепей на этапе начального размещения. Это приводит к уменьшению длин межсоединений критических цепей за счет пропорционального роста длин некритических цепей. В результате повышается быстродействие схемы. Разработаны метод и алгоритм моделирования и оценки многозвенных цепей на ранних этапах физического проектирования ИС, которые за счет многоуровневого иерархического представления используемой полупериметрической модели обеспечивают сопоставимую с моделью минимального дерева Штейнера точность и несравненно малую сложность. Предложены принцип, метод, алгоритм и инструментальное средство начального размещения элементов ИС, которые, в отличие от существующих, за счет предварительного размещения цепей обеспечивают пропорциональность временных параметров и длин цепей, тем самым способствуя временному выравниванию путей распространения сигналов от входов до выходов ИС. Разработан и теоретически обоснован критерий начального теплового размещения элементов ИС, который, основываясь на равномерном топологическом распределении энергопотребления элементов, способствует выравниванию теплового поля на полупроводниковом кристалле и повышению тепловой надежности ИС. Критерий сочетаем с показателем электрической связанности, что позволяет его использовать в виде обобщенного показателя на этапе начального размещения элементов ИС. Предложены многопараметрический высокоскоростной метод и инструментальное средство начального размещения элементов трехмерных ИС, которые благодаря сочетанию известных методов двумерного начального размещения обеспечивают одновременный учет электрической связанности между элементами и выравнивание теплового поля. Разработаны метод моделирования и графического отображения теплового поля размещения элементов ИС, основанный на принципе термоэлектрической имитации, и соответствующее инструментальное средство, позволяющие пользователю в интерактивном режиме принимать решения по тепловому размещению элементов и обеспечить компромисс между точностью расчетов и временем моделирования.

      Item Type: Thesis (Doctor of Sciences)
      Additional Information: Разработка теоретических основ и инструментальных средств начального размещения элементов в субмикронных цифровых интегральных схемах. Development of theoretical bases and tools of initial placement of elements in submicron digital integrated circuits.
      Uncontrolled Keywords: Арутюнян Ашот Геворкович, Harutyunyan Ashot Gevorg
      Subjects: Earth Science
      Divisions: UNSPECIFIED
      Depositing User: NLA Circ. Dpt.
      Date Deposited: 27 Sep 2018 11:10
      Last Modified: 27 Sep 2018 16:34
      URI: http://etd.asj-oa.am/id/eprint/7665

      Actions (login required)

      View Item