集成电路低功耗设计可逆逻辑综合及性能分析

论文摘要

随着集成电路工艺进入超深亚微米和纳米时代，不断增大的电路规模、不断增加的功耗和日益凸现的物理效应等问题，都成为集成电路自动化所面临的新挑战。快速发展的集成电路低功耗设计自动化需要多学科交叉研究，存在着大量的组合优化和统计分析等问题，已成为该领域备受关注的研究热点和前沿。工艺参数变动对电路性能（如速度和功耗）的影响越来越大，迫使低功耗设计辅助工具软件必须考虑工艺参数变化对低功耗设计的影响。集成电路低功耗设计算法需要更为高效的电路时延和功耗分析算法，所以如何提高电路时延和功耗统计分析的效率，不仅是电路时延和功耗统计分析领域的研究方向，也是电路低功耗设计统计方法研究进一步发展的关键。可逆电路对低功耗设计有着潜在的优势。本文以可逆电路为背景，对结合物理因素的逻辑综合和性能分析方法进行深入研究，旨在探讨低功耗设计中以物理因素为中心的逻辑综合优化方法和性能分析方法。本文深入分析了可逆电路的工作特点、综合优化及其性能分析问题，提出了相应的综合优化方法并实现了该算法。研究了可逆电路的面积和时延问题，采用矩阵模型和符号代数作为理论基础，提出了一种符号综合方法；深入研究了可逆电路的时延分析问题，针对串扰对电路的时延带来的影响，探讨了串扰时延的计算方法，进一步在考虑面积、时延、串扰等约束下利用成本函数来指导综合过程；深入分析和研究了性能分析问题，针对工艺参数变动对电路性能（如速度和功耗）的影响日益显著的问题，提出了更加精确的电路时延和漏功耗分析方法；针对分析的复杂度和精确度问题，提出了面向性能的参数约简方法；探讨了时空参数下的分析问题，取得了以下创新性的成果：●将可逆电路映射到一个矩阵上，能够方便地从中提炼出成本函数所必需的相关因子以及电路中任意点的输入输出值。在缩减所用门数量的同时，将减少垃圾线数作为次要目标。将可逆逻辑综合问题当作多输出逻辑综合来处理，通过划分确保每个划分区中必要输出为单输出，利用符号代数方法找出每个划分的候选门。通过附加额外的约束条件，将PPRM中的布尔运算映射为布尔多项式的运算，提出的一种以Gr（?）bner基为数学基础的分解策略来获得候选门，既解决计算复杂性问题，又改善了电路的性能。●本文在综合过程中考虑了串扰因素，通过信号波形间的距离，同时考虑波形间的形状，分析波形之间的相关性，定义了波形相似性的概念，建立了串扰以及串扰时延的计算方法，提出了基于串扰优化的交换线间排列的优化方法。这是其他可逆电路综合方法忽视的问题。在成本函数中，我们提出了权值确定算法，使我们能根据不同的优化目标找到适宜的结果。●在解决低功耗问题时，不能单纯依靠低功耗器件的选用，还必须与其他一些方法相结合来设计系统。本文将海森矩阵的概念引入到二次时延模型中，建立了改进的二次时延模型，纠正了现有二次模型分析中的方差分析错误，为下面的工作打基础。本文提出了电路漏功耗的对数用改进的二次模型拟合方法，直接用工艺参数变动变量表达，并论证了这一拟合的正确性和合理性，简化分析过程。●本文建立了一个层次化性能分析模型，根据电路的时延和漏功耗的对数的统一表达形式，提出了一种新颖的基于CH（Correlation-Hessian matrix）的面向性能的参数约简方法，保留部分重要参数，减小计算规模。利用CH矩阵作约简方法既考虑了工艺参数之间的依赖关系，又考虑到它们与高层次之间的关系，从而提高性能预算的精确度。探索时空参数变化下的参数模型，尝试将工艺参数扩展到时空参数做讨论。本论文深入研究了可逆电路的综合优化问题以及工艺参数变化带来的性能分析等新问题，具有很强的针对性和代表性，可以作为其他以低功耗设计为中心的集成电路自动化设计方法的借鉴。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 集成电路技术的发展和研究目标
• 1.1.1 集成电路发展带来的挑战
• 1.1.2 研究意义和研究目标
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.2.1 低功耗电路结构
• 1.2.2 低功耗性能分析
• 1.3 论文的工作与组织
• 第2章 集成电路低功耗设计概述
• 2.1 集成电路功耗的组成
• 2.2 集成电路低功耗设计方法
• 2.2.1 集成电路的功耗分析
• 2.2.2 低功耗设计方法
• 2.2.3 不同层次的低功耗设计技术
• 2.3 本章小结
• 第3章 可逆电路的符号综合方法
• 3.1 引言
• 3.2 数学模型
• 3.3 综合方法
• 3.3.1 符号代数方法
• 3.3.2 缩减时延
• 3.3.3 成本函数
• 3.3.4 减少垃圾线
• 3.4 算法描述
• 3.5 实验结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 考虑串扰的可逆电路综合
• 4.1 引言
• 4.2 串扰时延模型
• 4.2.1 串扰计算
• 4.2.2 串扰时延模型
• 4.3 交换线间排列（permuting wires）
• 4.4 成本函数CF的确定
• 4.5 综合算法
• 4.6 实验结果
• 4.7 本章小结
• 第5章 工艺参数变动下可逆电路的时延和漏功耗分析
• 5.1 引言
• 5.2 工艺参数变动下的时延分析
• 5.3 工艺参数变动下的漏功耗分析
• 5.4 实验结果
• 5.5 本章小结
• 第6章 工艺参数变动下可逆电路的层次化性能分析
• 6.1 引言
• 6.2 层次模型
• 6.3 物理级和逻辑级的详细分析
• 6.4 层次化性能分析
• 6.4.1 层次化方差分析
• 6.4.2 CH（相关系数-海森矩阵）参数约简方法
• 6.5 探索时空参数下的高次模型拟合
• 6.6 实验结果
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢