温度驱动的三维芯片低功耗设计方法研究

论文摘要

日益增长的便携式电子产品对低功耗有着迫切需求,同时国家节能减排政策的提出以及低碳环保观念的深入人心,使得超大规模集成电路(VLSI)低功耗设计变得越来越重要。功耗问题已经成为VLSI设计所必须考虑的一个关键问题。为了进一步降低互连延迟,提高芯片性能,在芯片设计与制造工艺中,出现了“三维芯片”。三维芯片能够明显的提高芯片的性能,三维芯片结构面临的最大的问题是散热问题。本文在研究VLSI设计流程及各个阶段的低功耗技术的基础上提出了一种适用于三维芯片的低功耗技术。首先,本文分析了芯片的功耗来源,并介绍VLSI设计中在不同层次使用的低功耗技术,然后对不同的低功耗技术的效果进行对比。其次,介绍了Synopsys的Liberty库及从Liberty中提取功耗数据。然后介绍三维芯片的热阻抗模型,并使用这种模型来计算三维芯片各个模块的温度。实验结果表明,随着三维芯片层数的增加,三维芯片的温度急剧增加,可以增加到几千度,远远超出芯片可以承受的温度。最后,提出了适用于三维芯片的电压岛低功耗技术。我们使用ILP算法生成电压岛,并在生成电压岛时考虑芯片的温度。实验结果表明我们的算法能够明显降低三维芯片的温度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 VLSI技术的发展
• 1.2 VLSI设计的流程
• 1.3 研究背景以及问题的提出
• 1.4 本文主要工作与组织结构
• 第2章 三维芯片与低功耗技术概述
• 2.1 三维芯片简介
• 2.2 低功耗技术简介
• 2.2.1 功耗的组成
• 2.2.2 低功耗技术
• 2.3 热问题的解决方案
• 2.3.1 热通孔
• 2.3.2 电压岛
• 2.3.3 动态热量管理
• 第3章 温度模型
• 3.1 从Synopsys CCS Power模型中提取功耗
• 3.1.1 Synopsys CCS Liberty简介
• 3.1.2 从Liberty库中提取数据
• 3.1.3 Synopsys CCS Power简介
• 3.1.4 CCS库模型
• 3.2 温度模型
• 3.2.1 热传导方程
• 3.2.2 有限差分方法（Finite Difference Method,FDM）
• 3.2.3 有限元分析（Finite Element Analysis,FEA）
• 3.2.4 热阻抗模型（Resistive Thermal Model）
• 3.3 结果分析
• 3.3.1 从Liberty中提取数据
• 3.3.2 温度模型
• 第4章 温度驱动的三维芯片电压岛ILP算法
• 4.1 研究背景
• 4.1.1 多电压技术
• 4.1.2 电压岛
• 4.2 线性规划问题及求解
• 4.2.1 线性规划
• 4.2.2 线性规划求解工具GLPK
• 4.3 温度驱动的三维芯片电压岛ILP算法
• 4.3.1 问题描述
• 4.3.2 基于ILP算法的功耗模型
• 4.3.3 基于ILP算法的温度模型
• 4.4 实验结果
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文与参与的项目