WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

КОВАЛЕВ Андрей Владимирович

МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ

Специальности        05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

       05.13.12 – Системы автоматизации проектирования

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Таганрог – 2009

Работа выполнена в Технологическом институте Южного федерального университета в г.Таганроге.

Научный КОНСУЛЬТАНТ -        доктор технических наук, профессор

       КОНОПЛЕВ Борис Георгиевич (ТТИ

       ЮФУ, г.Таганрог)

Официальные оппоненты -        доктор технических наук, профессор

       РУФИЦКИЙ Михаил Всеволодович

       (ВлГУ, г.Владимир);

       доктор технических наук, профессор

       МУРАТОВ Александр Васильевич

       (ВГТУ, г.Воронеж);

       доктор технических наук, профессор

       ЛЕБЕДЕВ Борис Константинович (ТТИ

       ЮФУ, г.Таганрог).

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Московский государственный институт электронной техники (технический университет), г.Москва

Защита состоится “17” декабря 2009 г. в 14 ч. 20 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.208.23 в Южном федеральном университете по адресу: 347928, г. Таганрог, ул. Шевченко, 2, корп.Е, ауд. Е-306.

С диссертацией можно ознакомиться в зональной библиотеке Южного федерального университета.

Автореферат разослан “____”_________________2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

д.т.н., профессор        И. Б. Старченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В ходе развития информационного общества и технологий в повседневную жизнь все больше проникают портативные носимые электронные устройства. К этому классу устройств можно отнести устройства мобильной связи и глобальной навигации, ноутбуки, карманные компьютеры, мультимедийные аксессуары, беспроводные датчики состояния здоровья спортсменов и многие другие.

Число разрабатываемых приложений удваивается с каждым годом, стремясь удовлетворить запросы потребителей инновационных решений. Различные технические новшества требуют все больше и больше энергии, что напрямую сказывается на длительности автономной работы портативных устройств. Высокие требования к качеству передаваемого голоса, скорости обработки и передачи аудио- и видеосигналов привели к необходимости увеличения объемов памяти, а также рабочей частоты процессора. Все это, конечно же, отражается на потребляемой энергии, а ее уровень становится одним из самых важных факторов при создании портативной электронной техники. В частности, в некоторых современных приложениях требования к эффективности энергопотребления становятся жизнеопределяющими. Ограниченные возможности энергозатрат приводят, особенно в случае использования радиосредств, к необходимости более тесного, локального взаимодействия между элементарными модулями сети и реализации стратегии согласованных групповых действий для выполнения поставленной задачи. Другими словами, в сенсорных сетях, для массового использования, элементарные модули должны быть очень маленькими и очень дешёвыми. Так, одной из целей разработчиков на ближайшие годы ставится достижение габаритов элементарного модуля порядка одного кубического миллиметра, энергопотребления менее милливатта и стоимости менее одного доллара.

Очевидны тенденции к непрерывному росту сложности данных устройств и, соответственно, повышению потребностей в обеспечении их достаточным количеством энергии. Удовлетворение современных требований к компактности, надежности и продолжительности непрерывной работы напрямую зависит от уровня энергопотребления электронных компонентов описанного класса устройств.

Учитывая непрерывное, хотя и относительно медленное, усовершенствование технологий создания энергоемких элементов питания, а также, с другой стороны, увеличение энергетических потребностей сложных портативных устройств можно предположить, что данные устройства всегда будут иметь конечное время непрерывной работы, которое необходимо будет продлять за счет различных методов оптимизации энергопотребления. Также с уменьшением габаритов должны уменьшаться и источники питания (миниатюрные аккумуляторы, солнечные батареи с небольшой площадью и т.п.), что при прочих равных условиях снижает их емкость или мощность. Помимо всего прочего, необходимость продления времени работы практически любых портативных автономных устройств между процессами зарядки, вероятно, не исчезнет никогда, даже с учетом успешного развития технологий источников питания.

Разработчики, кроме обеспечения цифровых устройств всей современной функциональностью, должны сделать их достаточно экономичными с точки зрения потребления энергии и работоспособными в широком диапазоне операционных и технологических факторов.

Методы снижения потребляемой мощности позволят устройствам работать без специального термального обслуживания, что приведет к более дешевым корпусам и малым размерам. Поскольку высокое энергопотребление влияет на надежность КМОП-схем, то, соответственно, снижение мощности повысит их запас прочности (живучести).

Реализация всех функциональных модулей вычислительных систем с использованием энергосберегающих технологий позволит создавать на одном кристалле функционально законченные устройства с высокой степенью интеграции, что значительно увеличит функциональную насыщенность, снизит массогабаритные параметры конечного продукта, увеличит его производительность.

В таких условиях энергопотребление становится одним из ограничивающих факторов, сдерживающих дальнейшее развитие портативной электронной техники.

В итоге актуальность разработки методов проектирования микроэлектронных цифровых устройств с низким энергопотреблением можно определить следующими основными факторами:

  • наличием множества приложений (портативные компьютеры, средства навигации, средства связи, цифровая аудио- и видеотехника), которые должны сочетать высокую надежность и требуемое быстродействие с низким потреблением энергии для достижения заданной продолжительности автономной работы;
  • необходимостью снижать потребляемую мощность для решения проблемы отвода тепла, т.к. это определяет массогабаритные показатели устройств;
  • необходимостью решения проблемы проведения эффективного тестирования сложных функциональных цифровых устройств, при котором значительно возрастает рассеиваемая мощность.

Задачу проектирования вычислительных микроэлектронных систем с малым энергопотреблением возможно эффективно решить только с применением методов снижения потребления энергии на всех уровнях иерархии проекта. Ошибка на любом из уровней иерархии может свести на нет все успешные результаты на остальных. Например, проект CADRE (процессор цифровой обработки сигналов для мобильных телефонов), был хорошо оптимизирован на архитектурном и программном уровнях, но на схемном и логическом уровнях оказался неэффективен.

Состояние вопроса

Слабым местом, которое существенно ограничивает возможности увеличения энергоэффективности современных микропроцессоров и систем-на-кристалле является цепь синхронизации. Высокая рабочая частота, большие сопротивление и емкость линий связи приводят к тому, что в цепях синхронизации современных сверхбольших интегральных схем (СБИС) рассеивается до 50% от общей мощности. Одним из перспективных решений данной проблемы является отход от самой концепции синхронизации и применение в проектировании цифровых устройств принципов асинхронной логики.

В настоящее время наиболее известными элементами, применяемыми для разработки самотактируемых, нечувствительных к задержкам схем, являются элементы NCL-логики (NULL Convention Logic). К недостаткам методов построения функциональных блоков на основе NCL-логики можно отнести: избыточность по числу транзисторов, относительное низкое быстродействие и высокое статическое и динамическое энергопотребление. Методы минтермного синтеза (Delay Insensitive Minterm Synthesis - DIMS) позволяют формировать схемы асинхронных логических блоков с помощью пороговых элементов, что также приводит к избыточности и, соответственно, низкой энергоэффективности.

Формирование логических схем без использования традиционных C-элементов и NCL-элементов позволит сократить длину пути прохождения сигнала, суммарную паразитную емкость, статическое и динамическое рассеяние энергии за счет уменьшения числа транзисторов, входящих в схему.

Сокращение аппаратных затрат не всегда ведет к сокращению энергопотребления системы. Один и тот же алгоритм можно реализовать аппаратно, программно или совместно аппаратно-программно. При аппаратной реализации достаточно большой вклад в рассеяние общесистемной мощности вносят блоки статической оперативной памяти. При программной реализации возможен резкий рост числа переключений элементов, что добавляет заметную часть динамической мощности и снижение быстродействия. Поэтому, как правило, оптимум энергоэффективности может быть достигнут при компромиссном аппаратно-программном решении, в частности, за счет минимизации объемов необходимой оперативной памяти.

В связи с ростом интеграции разработчики СБИС имеют возможность объединять на одном кристалле десятки больших сложных функциональных блоков (СФ-блоков - IP-ядер) различного назначения, в том числе и микропроцессорные ядра. Одними из ключевых направлений развития систем-на-кристалле являются разработки по созданию структурированных систем коммуникации - сетей-на-кристалле (Network on a Chip – NoC). Сеть-на-кристалле является коммуникационной системой IP-ядер на основе пакетной передачи данных и административного управления. За счет масштабируемости коммуникации NoC обеспечивают гибкое повторное использование разнородных IP-ядер.

Методы проектирования NoC на сегодня не позволяют учитывать совместно геометрические размеры топологии блоков, модели энергоэффективности соединений и трафик в системе. Сокращения числа транзакций и улучшения энергоэффективности систем-на-кристалле можно достичь с помощью оптимизации топологической архитектуры внутрикристальной сети.

Задачу оптимизации межблочных транзакций и распределения задач в NoC предлагается решить с помощью генетических алгоритмов, которые отличаются от других оптимизационных алгоритмов тем, что предполагают одновременный поиск в различных областях пространства решений. Элементы случайности позволяют преодолевать барьеры локальных оптимумов. Выбор способа кодирования модели оптимизационной задачи, а также набора генетических операторов, во многом определяет эффективность и качество применяемых генетических алгоритмов. Поэтому, разработка способа кодирования моделей и разработка генетических операторов для оптимизации межблочных транзакций, является актуальной в научном и практическом плане задачей.

Создание вычислительных устройств на основе квантовых клеточных автоматов позволяет резко сократить энергопотребление за счет их высокой энергоэффективности, обусловленной квантовыми эффектами. При этом недостаточно развиты и изучены методы эффективного построения топологии функциональных блоков, а также возможности их реализации на базе принципов асинхронной логики.

Существующие методологии разработки схем асинхронной логики позволяют реализовать маршрут автоматизированного проектирования микроэлектронных систем от функционального описания до топологии, однако сквозной маршрут проектирования асинхронных блоков в полностью автоматическом режиме пока недостижим. Поэтому, решением этого может быть создание методологии и программных средств автоматического проектирования асинхронных систем на различных иерархических уровнях.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов повышения энергоэффективности микроэлектронных систем на различных уровнях проектной иерархии – на схемотехническом, архитектурном, программном и технологическом, что позволит снизить их энергопотребление и, соответственно, увеличить длительность автономной работы.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи по разработке и исследованию:

- методологии построения цифровых асинхронных компонентов систем-на-кристалле, включая схемотехнические основы создания асинхронных функциональных блоков с малым энергопотреблением;

- аналитических моделей для оценки энергопотребления и задержек сигналов асинхронными элементами и функциональными блоками;

- методов повышения энергоэффективности на архитектурном уровне, оптимизации межблочных транзакций и распределения задач в системах-на-кристалле для повышения их энергоэффективности, а также метода проектирования вычислительных устройств с малым энергопотреблением на основе квантовых клеточных автоматов;

- конструкций элементов асинхронной логики на основе квантовых клеточных автоматов;

- методологии и программных средств автоматизированного проектирования энергоэффективных асинхронных микроэлектронных систем-на-кристалле;

- методов проектирования асинхронных функциональных блоков с использованием языка C++ и построения VHDL-описаний функциональных блоков для повторного использования на основе описаний на языке SystemC.

Научная новизна:

- предложена методология построения цифровых асинхронных компонентов систем-на-кристалле, включая схемотехнические основы создания асинхронных функциональных блоков;

- получены аналитические модели для оценки энергопотребления и задержек сигналов асинхронными элементами и функциональными блоками, разработана методика нахождения оптимальных ширин каналов транзисторов для максимизации энергоэффективности;

- представлен метод повышения энергоэффективности микроэлектронных систем на архитектурном уровне;

- разработан метод оптимизации межблочных транзакций и распределения задач в системах-на-кристалле для повышения их энергоэффективности;

- предложен метод проектирования вычислительных устройств с малым энергопотреблением на основе квантовых клеточных автоматов;

- создана методология автоматизированного проектирования асинхронных микроэлектронных систем-на-кристалле;

- разработан метод проектирования асинхронных функциональных блоков с использованием языка C++.

Решение ряда новых задач повышения энергоэффективности, представленных в работе, стало возможно благодаря известным достижениям микро- и наноэлектроники и не противоречит их положениям, базируется на строго доказанных выводах прикладных наук, таких как математический анализ, математическая статистика, теория оптимизации и планирование эксперимента. Созданные методы, маршруты и программные проектирования систем-на-кристалле согласуются с опытом их разработки.

Предложенные теоретические положения и новые технические решения опробованы на основе вычислительных экспериментов.

Результаты исследований анализировались и сопоставлялись с известными экспериментальными данными других исследователей.

Практическая значимость

В соответствии с предложенными в диссертационной работе методами разработаны:

  • алгоритмы и программы схемотехнического и топологического проектирования асинхронных функциональных блоков, а также оценки энергоэффективности синтезированных блоков;
  • конструкции элементов цифровых функциональных блоков, а также элементов асинхронной логики на основе квантовых клеточных автоматов;
  • маршрут проектирования СБИС на основе библиотеки элементов AMS-0,8 мкм для САПР Leonardo Spectrum;
  • маршрут проектирования заказных СБИС от уровня поведенческого представления на языке VHDL до структурного описания в формате EDIF;
  • маршрут сквозного проектирования специализированных СБИС на основе ПЛИС и заказных интегральных схем от поведенческого VHDL- и С++-описания до топологии;
  • БИС арбитра шин многопроцессорной вычислительной системы на основе БМК серии 5503ХМ2, на основе ПЛИС, а также в виде проекта заказной интегральной схемы на библиотеке элементов HP-0,5 мкм;
  • функциональное ядро пространственной высоко- и низкочастотной фильтрации высокопроизводительного видеопроцессора;
  • функциональное ядро виртуального логического анализатора ПЛИС;
  • сложно-функциональный блок пространственной фильтрации для определения амплитуд перепадов яркостей на изображении для системы-на-кристалле на ПЛИС;
  • БИС декодера сверточных турбокодов по алгоритму MAP для спутниковой телекоммуникационной системы INMARSAT;
  • проект статического ОЗУ для технологии кремний-на-изоляторе 0,8 мкм;
  • компилятор (программное средство для синтеза) топологии статического ОЗУ для систем-на-кристалле.

Применение всех разработанных автором методов, моделей и маршрутов проектирования позволило создать вычислительные микроэлектронные системы с малым энергопотреблением.

Выполнены исследовательские и опытно-конструкторские работы по отработке предложенных методов повышения энергоэффективности на архитектурном и схемотехническом уровнях проектной иерархии систем-на-кристалле.

Предложенные идеи архитектурного преобразования функциональных блоков использованы при проектировании систем микроэлектронной техники.

Разработанные в диссертационной работе положения, методы и маршруты проектирования микроэлектронных систем позволили повысить качественные результаты при создании новых образцов микроэлектронной техники в проектных организациях электронной промышленности РФ.

В диссертации решена крупная научная проблема снижения энергопотребления микроэлектронной техники, имеющая хозяйственное значение, а также изложены научно обоснованные технические решения, внедрение которых внесет значительный вклад в развитие микроэлектронной промышленности страны и повышение ее обороноспособности.

Внедрение результатов работы

Результаты работы использованы в научных исследованиях и разработках ГУ НПК «Технологический центр» МИЭТ (ТУ) (г.Москва), Научно-образовательного центра «Нанотехнологии» Южного федерального университета (г.Таганрог), ОАО НКБ ВС (г.Таганрог), ГКБ «Связь» (г.Ростов-на-Дону), использованы в НИР, выполненных по заданиям Министерства образования и науки РФ, а также внедрены в учебный процесс подготовки студентов Технологического института Южного федерального университета в г.Таганроге.

Апробация результатов работы

Основные результаты диссертационной работы обсуждались и были одобрены на Всероссийских научно-технических конференциях с международным участием “Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники” (ПЭМ-97, ПЭМ-98) (Дивноморское, 1997, 1998 гг.), на XXVI Юбилейной Международной конференции и дискуссионном научном клубе «Новые информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе» (IT+SE’98) (Ялта-Гурзуф, 1998 г.), на XXXXIII-XXXXVI научно-технических конференциях ТРТУ (Таганрог, 1998 – 2001 гг.), Всероссийской НТК «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 1999 г.), на Международных научно-технических конференциях “Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники” (ПЭМ-99, ПЭМ-2000) (Дивноморское, 1999, 2000 гг.), на 3-й международной НТК «Электроника и информатика - XXI век» (Москва, 2000 г.), на XLVIII научно-технической конференции ТРТУ (Таганрог, 2003), International Conference On ASIC (ASICON 2003, Пекин, 2003), Второй Всероссийской научно-технической конференций (МИЭТ, Москва, 2003), XLIX научно-технической и научно-методической конференций профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ (Таганрог, 2004), IX международной научно-технической конференции «Актуальные про­блемы твердо­тельной электро­ники и микро­электроники» (ПЭМ-2004, Дивноморское, 2004), LI научно-технической конференций профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ (Таганрог, 2005), Х Международной НК и школы-семинара «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (ПЭМ-06, Таганрог, 2006), Конференции «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем – 2006» (МЭС-06, Москва, 2006), Конференции «Автоматизация проектирования дискретных систем» (CAD DD’07, Минск, 2007), LV научно-технической конференций профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТТИ ЮФУ (Таганрог, 2009).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

- методология построения цифровых асинхронных компонентов систем-на-кристалле, включая схемотехнические основы создания асинхронных функциональных блоков;

- аналитические модели для оценки энергопотребления и задержек сигналов асинхронными элементами и функциональными блоками;

- метод повышения энергоэффективности микроэлектронных систем на архитектурном уровне;

- метод оптимизации межблочных транзакций и распределения задач в системах-на-кристалле для повышения их энергоэффективности;

- метод проектирования вычислительных устройств с малым энергопотреблением на основе квантовых клеточных автоматов;

- методология автоматизированного проектирования асинхронных микроэлектронных систем-на-кристалле;

- метод проектирования асинхронных функциональных блоков с использованием языка C++.

Публикации

По результатам диссертационной работы опубликовано 39 печатных работ (из них: 12 в изданиях рекомендованных ВАК и одна монография), 17 отчетов по НИР и 2 свидетельства об официальной регистрации программ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами и заключения, а также списка литературы и приложения. Работа изложена на 226 страницах ма­шинописного текста, 88 рисунках, 6 таблицах и содержит список литературы из 309 позиций.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и за­дачи исследования, определены методы исследования, выделены научная но­визна, основные защищаемые положения, приведены другие общие характери­стики работы.

В первой главе приведена классификация источников рассеиваемой мощности и обзор методов снижения энергопотребления. Анализируются преимущества и недостатки существующих методов проектирования заказных СБИС с малым энергопотреблением.

В результате проведенного анализа существующих методов снижения энергопотребления были выбраны основные направления разработок и исследований, позволяющих повысить энергоэффективность на различных уровнях проектной иерархии микроэлектронных систем.

Асинхронная логика представляется одним из перспективных направлений развития цифровой микроэлектроники. В связи с этим основное внимание уделяется разработке эффективных методов, маршрутов и средств проектирования асинхронных цифровых систем.

Выбор асинхронных систем в качестве объекта исследования и разработки обусловлен несколькими факторами, влияющими на снижение энергопотребления:

I) Автоматическая остановка работы неиспользуемых компонентов.

Асинхронная система является полностью реактивной и представляет собой ансамбль коммуникационных процессов (модулей), которые находятся в неактивном состоянии до тех пор пока они не получат запрос - информационное сообщение и данные для обработки. Существуют синхронные системы с возможность отключения тактового сигнала в отдельных блоках, однако они не достигают такого снижения энергопотребления как у асинхронных схем, поскольку определение моментов отключения блоков это сама по себе сложная задача, требующая дополнительных аппаратных ресурсов.

II) Автоматическое устранение паразитных переключений.

Потери энергии на нежелательные переключения в комбинационных синхронных схемах (например, арифметических блоках) могут достигать 30-40% от общей величины рассеиваемой мощности.

Сигналы, генерируемые в асинхронной схеме по определению являются корректными в любой момент времени и промежуточные неконтролируемые переключения недопустимы.

III) Отсутствие глобального тактирования.

В синхронных системах обеспечение глобального тактирования рассеивает до 50% общего уровня мощности. Напротив, в асинхронных системах глобальное тактирование заменено локальными сигналами взаимного подтверждения транзакций между соседними модулями. При этом, цена увеличения числа транзакций и аппаратных затрат не настолько высока, чтобы нивелировать эффект снижения потребляемой мощности. И этот эффект значителен.

IV) Изменение напряжения питания.

Асинхронные схемы (независимые от задержек) автоматически подстраивают скорость вычислений под сильно изменяющиеся операционные параметры, в частности, под напряжение питания.

Также, помимо описанных свойств, у асинхронных схем нет проблем с рассогласованием фронтов («гонок сигналов»). Асинхронные схемы позволяют разрабатывать системы нечувствительные к задержкам в цепях и нетребующие тщательной подгонки временных характеристик. Вкупе с этим легкость повторного использования делает применение асинхронные схем перспективным для различных технологий (с разными параметрами и проектными нормами).

Вторая глава посвящена разработке и исследованию методологии построения цифровых асинхронных компонентов систем-на-кристалле, включая схемотехнические основы создания асинхронных функциональных блоков, позволяющих снизить энергопотребление.

Проведен анализ работы асинхронных систем и особенностей протокольного взаимодействия. Разработано семейство методов схемотехнического построения асинхронных функциональных блоков для четырех различных способов реализации (динамической, статической основной, статической со «слабой» обратной связью и статической симметричной) для КМОП-технологии. В каждой схемотехнической реализации информационный сигнал является парафазным. Функциональные блоки, в отличие от метода минтермного синтеза, формируются не на основе пороговых элементов, а с помощью оптимизированных комбинаций транзисторных цепочек.

На рис. 1. показаны типы реализации С-элементов, для которых разработаны методы схемотехнического построения.

Рис. 1. Способы схемной реализации С-элементов: а) динамическая; б) статические основные; в) статические со «слабой» обратной связью; г) статические симметричные

Предлагается отдельно синтезировать схемы двух компонент формирования сигналов информационного выхода Q1 и Q0 (рис. 2) на основе таблицы истинности, описывающей функцию блока. Асинхронные блоки, построенные по предложенному методу, могут иметь множество информационных входов и только один информационный выход.

Рис. 2. Структурная схема двухпроводных динамических асинхронных элементов

Основные этапы методов построения схем функциональных блоков:

– на основе исходной таблицы истинности, описывающей тристабильные состояния информационных сигналов блока составляется расширенная таблица истинности с бистабильными состояниями пары выводов информационных сигналов;

– формируются цепочки последовательно соединенных p-канальных транзисторов, устанавливающих сигналы Q1 и Q0 в состояние 0. На данном этапе строятся части схемы с именами «нули» для Q1 = 0 и Q0 = 0. В последовательные цепочки включаются транзисторы, входы которых по расширенной таблице истинности находятся в состоянии 0 при нахождении Q1 и Q0 в состоянии 0. Далее последовательные цепочки транзисторов соответствующих компонент объединяются параллельно;

– составляются цепочки последовательно соединенных n-канальных транзисторов, устанавливающих сигналы Q1 и Q0 в состояние 1. На данном этапе строятся части схемы с именами «нули» для Q1 = 1 и Q0 = 1. В последовательные цепочки включаются транзисторы, входы которых по расширенной таблице истинности находятся в состоянии 1 при нахождении Q1 и Q0 в состоянии 1. Далее последовательные цепочки транзисторов соответствующих компонент объединяются параллельно;

Рис. 3 Пример оптимизации транзисторных цепочек

– производится оптимизация полученных транзисторных цепочек, которые представляются соответствующим орграфом. Ребра орграфа направляются в одну выбранную сторону. Из графа, путем анализа путей из направленных ребер, удаляются петли и объединяются дублирующие друг друга узлы (см. рис. 3).

Теоретически функциональный блок, сформированный подобным образом, может содержать любое количество входов. Но в схемах с большим числом транзисторов (больше 8), соединенных последовательно, сопротивление цепочек может оказаться значительным и существенно снижать энергоэффективность. Поэтому, при построении относительно больших схем, устанавливаются ограничения на допустимые величины паразитных параметров (емкости, сопротивления).

Произведена оценка логической сложности схем, создаваемых по предложенному методу, а также сравнительный анализ с результатами применения NCL-методов. Для получения адекватных оценок сравниваемые схемы рассматривались без учета оптимизации. Логическая сложность схем прошедших оптимизацию будет зависеть от выполняемых ими аналитических функций.

Для оценки быстродействия предложенных схем и схем на основе NCL-элементов было проведено схемотехническое SPICE-моделирование. При моделировании рассматривались типичные случаи для анализа разницы быстродействия логических схем.

Сделан вывод о том, что предлагаемые методы построения асинхронных блоков позволяют, по сравнению с традиционными методами проектирования на основе NCL-логики, сократить число используемых транзисторов (в среднем до 60%) и снизить энергопотребление. Анализ эффективности процедур оптимизации транзисторных цепочек показал, что при возрастании числа входов суммарное число транзисторов в блоке сокращается более чем вдвое (для 5 входов и более). Дана рекомендация о том, что построение асинхронных логических блоков с количеством входов больше 5-6 делать нецелесообразно из-за резко возрастающей их логической сложности и заметному влиянию паразитных параметров.

С учетом схемотехнических особенностей проектируемых асинхронных блоков, разработаны аналитические модели оценки энергопотребления и задержки сигналов для всех рассматриваемых типов реализации. Параметрами моделей являются ширины транзисторов анализируемого, управляющего и нагрузочного элементов, а также технологические и топологические параметры МОП-транзисторов. Оговорены границы применимости данных моделей.

Предложенные модели позволяют на основе введенного интегрального критерия относительно быстро и с приемлемой точностью оценить энергоэффективность проектируемых асинхронных КМОП-элементов без применения ресурсозатратного моделирования.

На рис. 4 показана зависимость задержки динамического асинхронного элемента от ширины n-канальных транзисторов и их соотношения к ширине p-канальных (для длины канала 0,18 мкм).

Рис. 4 Зависимость задержки динамического элемента от ширины n-канальных транзисторов и их соотношения к ширине p-канальных (r)

На основе введенных выражений для подсчета потребляемой энергии и задержек сигналов получен интегральный критерий энергоэффективности для динамического элемента:

где Et – общая потребляемая энергия; Deltotal – общая задержка; r – отношение ширин каналов транзисторов; Vdd – напряжение питания; Kisubw1, Kdw, Kisubw2, KEsc, Kisatw, Kgw, Fg, Fd, Fx – введенные коэффициенты; W - ширина канала n-МОП транзистора; M - ширина канала n-МОП транзистора в буферной части; WDr,WL - ширины каналов n-МОП транзисторов в управляющем и нагрузочном элементах; CZ - удельная емкость диффузионных областей; ρ - соотношение, определяемое следующим образом:

,

где - коэффициент, равный 2 для длинных каналов и приблизительно 1,25 – для короткоканальных транзисторов; Vthn, Vthp – пороговые напряжения n- и p-канальных транзисторов соответственно; µn, µp – подвижности носителей заряда n- и p-типа соответственно.

На рис. 5 приведены зависимости задержки D, потребляемой энергии E и значения интегрального критерия G от ширины канала n-МОП транзисторов в динамическом элементе.

Рис. 5 Параметры динамического элемента

Ширина транзисторов является одним из основных параметров, которые можно изменять в процессе синтеза и оптимизации топологии. С помощью разработанных моделей найдены выражения для определения оптимальной ширины каналов n-МОП транзисторов в динамическом элементе:

.

Подобные выражения получены для всех 4-х реализаций асинхронных элементов.

Проведенный с помощью разработанных моделей анализ параметров различных КМОП-реализаций асинхронных блоков показал, что динамическая реализация обладает наилучшей энергоэффективностью, однако область ее применения ограничена заданными режимами работы схем. На рис. 6 показаны зависимости интегральных критериев от ширины транзисторов для различных реализаций асинхронных элементов.

Рис. 6 Интегральные критерии трех реализаций

На основе анализа результатов, полученных с помощью разработанных моделей и контрольного SPICE-моделирования (на моделях 5-го уровня) показано, что расхождение между ними составляет не более 8%. Качественная оценка полученных зависимостей производилась на основе типичных параметров технологий КМОП 0,18 мкм и 0,8 мкм. Также, предлагаемые модели пригодны для использования при КМОП-технологиях с меньшими топологическими размерами вплоть до проявления квантовых эффектов.

В третьей главе предлагаются методы снижения энергопотребления в цифровых устройствах на архитектурном уровне.

Разработан метод снижения энергопотребления в цифровых системах-на-кристалле за счет минимизации объемов необходимой оперативной статической памяти.

На первом этапе метода производится анализ реализуемого алгоритма и выявляются циклы и контейнеры для промежуточного хранения данных.

На втором этапе определяются возможности замены контейнеров промежуточного хранения данных на схемы, вычисляющие и выдающие результат к необходимому моменту времени. В большинстве случаев это целесообразно делать, т.к. энергозатраты на обращение к большому массиву памяти оказываются выше, чем на расчет нужных (производных промежуточных) данных.

На заключительном этапе метода производится формирование тел циклов в аппаратном виде, а управление их итерациями – в программном.

В качестве иллюстрации и с целью анализа эффективности разработанного метода показана минимизация энергопотребления асинхронной системы, реализующей алгоритм турбодекодирования. Энергопотребление процесса турбодекодирования является одним из важнейших факторов при разработке носимых портативных коммуникационных устройств, работающих, например, по одному из популярных стандартов передачи данных, таких как: W-CDMA (3GPP), CDMA2000 (3GPP2), UMTS/сети 3G, B3G/4G, DVB-RCS, IEEE 802.16/WiMAX, IEEE 802.11n.

Предлагается асинхронная архитектура последовательного турбодекодера (по алгоритму максимума апостериорной вероятности - MAP), которая позволяет значительно снизить уровень мощности, потребляемой при итеративном декодировании информационных сигналов (рис. 7). Снижение энергопотребления происходит за счет сокращения количества блоков необходимой оперативной статической памяти и применения асинхронной схемотехники, которая «упраздняет» глобальные тактирующие сигналы.

В ранних исследованиях показано, что в параллельной реализации SISO-декодера более 70% от общего объема потребляемой мощности расходуется памятью метрик состояний, 20% - памятью априорной информации, а остальное (около 10%) - блоками расчета метрик. Суммарная площадь блоков памяти, согласно тем же исследованиям, составляет в SISO-декодере около 80%. Это подтверждает утверждение, что при разработке малопотребляющих архитектур декодеров в первую очередь целесообразно сокращать объемы блоков памяти и число обращений к ним.

Рис. 7. Разработанная архитектура турбодекодера с малым
энергопотреблением

В декодере максимально объединены аналогичные аппаратные ресурсы, в частности: декодеры SISO (Soft In Soft Output), перемежитель и деперемежитель. Хотя, декодирование с помощью одного (совмещенного) SISO-декодера может быть выполнено различными путями, предлагается оптимизировать ресурсы памяти и количество обращений к ней, за счет некоторых компромиссов в производительности.

Энергопотребление параметризуемой и масштабируемой архитектуры декодера было проанализировано с помощью модели, учитывающей размер модулей расчета метрик, разрядность данных, количество символов в пакете, степень кодирования, кодовое ограничение, количество итераций.

Эффективность предложенного метода повышения энергоэффективности за счет минимизации аппаратных ресурсов (объемов ОЗУ) доказана сравнительным анализом результатов проектирования с существующими архитектурами различных систем-на-кристалле. В частности, показано сравнение энергоэффективности декодера сверточных турбокодов по алгоритму MAP. Достигнуто сокращение в 2 раза по энергопотреблению и площади по сравнению с аналогами. Однако для достижения данных параметров по энергопотреблению, необходим компромисс по критерию производительности.

Первыми шагами на пути развития структурированных систем коммуникации и повторного использования IP-ядер явились разработки сетей-на-кристалле (Network on a Chip – NoC), являющихся частью систем-на-кристалле.

Для применения NoC в конкретном приложении необходимо определить связь каждой вершины графа задач (ГЗ) со своим компонентным ресурсом в архитектуре, а также сконфигурировать каждое IP-ядро под заданный набор задач, используя базовые средства управления компонентными ресурсами. В связи с этим, для определения связи вершин ГЗ с компонентными ресурсами, необходимо решить задачу покрытия многозадачного графа сети.

Разработан метод покрытия многозадачного графа сети и размещения разногабаритных СФ-блоков на поле кристалла. Вершины многозадачного графа сопоставляются узлам NoC при условии, что каждая из задач (однозадачный граф) должна выполняться за минимально возможное время, но не дольше заданного времени. Минимизируется суммарная длина связей между СФ-блоками.

Предложенный метод предназначен для построения пользовательских или стандартизованных сетей-на-кристалле, таких как AMBA, WISHBONE и д.р.

Исходная архитектура сети имеет матричный вид (рис. 8). Каждый узел сети это IP-ядро из заданной библиотеки, состоящей из L ядер. На рис. 8 обозначение К соответствует средствам управления компонентными ресурсами.

Рис. 8. Матричная архитектура сети

Исходные данные:

– размерности матричной архитектуры (X, Y) при условии 1 L ≤ XY;

– многозадачный граф, заданный как набор из S параллельных однозадачных графов, с общим количеством m вершин и n ребер. Каждая вершина Vi выполняет функцию fi из заданного набора функций F = {fi : 0 ≤ i < m}. Каждое ребро Ei имеет разрядность данных wj (0 ≤ j < n), т.е. размер слов при передаче между двумя вершинами, соединенных этим ребром;

– временные ограничения на S параллельных однозадачных графов: D0,…,D(s-1).

Времена выполнения функций F каждым типом IP-ядра из библиотеки устанавливаются в определенные значения. Если IP-ядро j не может выполнить функцию fi, то время выполнения для него устанавливается равным бесконечности. Каждое IP-ядро k (0 ≤ k < L) имеет заданную размерность входных данных равную Ik и выходных – Ok.

В связи со специфичностью решаемой задачи целевая функция для алгоритма имеет некоторые особенности, поскольку трудно определить единственную целевую функцию, учитывающую временные требования для каждого однозадачного графа.

Целевая функция должна включать в себя оценки всех однозадачных графов и, поэтому, может быть представлена следующим образом: TF = max {T0/D0, …, Ts-1/Ds-1}, где Ti – время критического пути однозадачного графа i.

Время критического пути однозадачного графа определяется как сумма задержек на ребрах и вершинах, принадлежащих критическому пути. Задержки на вершинах равны времени выполнения функций F. Задержками на ребрах являются времена прохождения данных между вершинами.

При данном определении целевой функции TF она должна быть минимизирована и ее значение не должно превышать 1.

Алгоритм оптимизации основан на моделировании генетической эволюции, для которого определен способ кодирования хромосом и необходимые генетические операторы.

Кодирующая хромосома включает в себя информацию о точном соответствии вершин многозадачного графа и типов IP-ядер. Поскольку архитектура NoC матричного типа, то кодирующая хромосома H может представлять из себя строку, в которой каждый ген g является типом IP-ядра, а их порядковый номер – положением в матрице графа: H = {gi : 0 ≤ gi ≤ L; i = 1…XY}.

Предлагается использовать метод подсчета целевой функции задачи покрытия сети с учетом геометрии топологических отображений IP-блоков. Данный метод состоит из следующих этапов:

I. На основе значений генов хромосомы H IP-ядра, соответствующих типов, располагаются на плоскости, таким образом, чтобы они были на достаточном друг от друга расстоянии не касаясь. Взаимное расположение IP-ядер на плоскости определяется порядковыми номерами их генов. Центры блоков совпадают с положение узлов графа.

Рис. 9. Эскиз NoC для вычисления
целевой функции

II. Уплотнение блоков, начиная с левого нижнего угла плана кристалла:

а) текущим назначается блок левой нижней вершины графа;

б) текущий блок помещается без зазоров в свободное левое нижнее пространство между двух смежных ему блоков (нижним и левым). Если текущим блоком является блок, назначенный в п. «а», то он помещается в левый нижний угол плана;

в) текущим назначается блок, узел которого является следующим в порядке обхода графа. Обход графа производится по принципу сканирования диагоналей. Если остались не размещенные блоки, то переход к п. «б», иначе к п. «г»;

г) стягивание областей средств управления компонентными ресурсами (см. рис. 8 – области К), которые изначально произвольно располагались в блоках. Стягивание производится по направлению к центру плана кристалла.

д) перестроение архитектуры сети, на основе триангуляции, сформированной на центрах областей К (см. рис. 9).

III. Подсчет целевой функции.

Оценка энергоэффективности межсоединений в проектируемой сети-на-кристалле производится на основе моделей межсоединений. На рис. 10 показана модель межсоединений в системе-на-кристалле.

Рис. 10. Модель линии передачи в сети-на-кристалле

Передающий блок включает в себя набор буферов, которые нагружены линией передачи. Линия передачи подключена к нескольким принимающим блокам, каждый из которых имеет входной терминал с минимальным инвертором.

Интегральный критерий для оценки энергоэффективности:

где Cmini – входная емкость минимального инвертора; Cmino – выходная емкость минимального инвертора; – коэффициент прогрессии увеличения размеров выходных буферов в цепочке; m – число буферов в цепочке; RCmin - время распространения сигнала через минимальный инвертор; Lc – средняя длина стороны принимающего блока; Lsp – расстояние между принимающими блоками; N – число принимающих блоков; Cpin – емкость вывода; Cint – погонная емкость линии передачи; Vdd – напряжение питания.

Анализ разработанного метода сокращения транзакций показал, что улучшение энергоэффективности систем-на-кристалле достигается за счет оптимизации топологической архитектуры внутрикристальной сети.

Эффективность предложенного метода оптимизации транзакций доказана сравнительным анализом с существующими методами распределения задач в графе, которые не учитывают реальных размеров и ориентацию топологии блоков в сочетании с моделями энергоэффективности межсоединений. Среднее сокращение энергопотребления достигает 20%.

Достоверность разработанных аналитических моделей была проверена путем сопоставления с эталонным SPICE-моделированием на моделях 5-го уровня. Расхождение в оценке нетрассированных соединений с трассированными достигает 50 %.

Четвертая глава посвящена разработке методов проектирования вычислительных устройств на основе квантовых клеточных автоматов (Quantum Cell Automata – QCA).

Перенос принципов классической КМОП-схемотехники цифровых устройств на устройства с QCA невозможен, поскольку в их основах лежат разные концепции. В ранних работах предлагались подходы к решению проблем, возникающих при архитектурном проектировании вычислительных устройств с QCA. Однако существует ряд до конца нерешенных задач, таких как задачи сокращения количества числа ячеек в одной временной зоне, унификация топологии временных зон, уменьшение потерь полезной площади, построение обратных информационных связей и др.

Разработан метод построения схем QCA функций четырех переменных. Схемы состоят из двух рангов: в первом ранге – три мажоритарных элемента, во втором – один, объединяющий выходы элементов первого ранга (рис. 11).

Рис. 11. Обобщенная схема, состоящая из мажоритарных элементов

Целью процедур метода является определение наборов имен входов (множеств S) трех мажоритарных элементов, расположенных в первом ранге схемы. Каждый такой набор (множество) составляется из имен входных сигналов из алфавита Z = {a, b, c, d,-a,-b,-c,-d, 0, 1}, мощность которого |Z| = 10. Множество имен входов состоит из трех элементов S = {i1,i2,i3}, где i1 ∈ Z, i2 ∈ Z, i3 ∈ Z.

Другими словами, решается задача поиска решения из всех возможных сочетаний имен (элементов множества Z): M{S ⊂ Z}.

Разработанный метод состоит из следующих этапов:

- установка начальных ограничений;

- определение возможных вариантов;

- определение дополнительных ограничений второго элемента для каждого варианта первого элемента;

- определение дополнительных ограничений третьего элемента для каждого варианта первого и второго элементов;

- выбор окончательного варианта.

На первом этапе выбираются любые две позиции, имеющие значения 0 и 1 в целевой карте Карно (функции четырех переменных). Учитывая особенности принятой схемы можно сделать вывод о том, что в обеих выбранных позициях будут те же самые значения хотя бы в одной из карт элементов первого ранга. Дополнительно в одной (только одной) из позиций другой карты можно закрепить ее исходное значение. Подобное закрепление значений в позициях одной из карт является ограничением рассматриваемых вариантов (сужением диапазона сочетаний).

На втором этапе на основе поставленных ограничений определяется диапазон возможных вариантов решения. Для этого составляется система из двух булевых уравнений:

,

где P1 и P2 – значения всех сигналов из множества Z для двух заданных позиций в картах Карно.

На основе полученных уравнений строятся графы условных связей между именами в наборах S. Для каждого уравнения получают два графа – один для разрешенных сочетаний, другой – для запрещенных.

На третьем этапе определяются дополнительные ограничения для каждого варианта. Если начальные ограничения устанавливались для одного из элементов, то данные ограничения устанавливаются для другого (второго) элемента первого ранга.

Для полученных ограничений, как и на втором этапе, строится система булевых уравнений подобно приведенной системе уравнений, но количество уравнений будет зависеть от количества позиций с новыми ограничениями. Как правило, количество таких позиций находиться в диапазоне от 2 до 8.

На следующем этапе определяются ограничения для третьего элемента при заданных картах первых двух элементов. Для получения ограничений карты третьего элемента анализируются значения в позициях целевой карты и карт упомянутых элементов. В среднем количество позиций с ограничениями в карте третьего элемента лежит в диапазоне от 6 до 12.

На последнем этапе производится сравнение карт выбранных вариантов и целевой карты.

Эффективность предложенного метода проектирования функциональных блоков на основе квантовых клеточных автоматов доказана результатами сравнительного анализа с существующими методами проектирования на основе мажоритарных элементов. Сокращение числа элементов в среднем достигает 3 раз. Снижение времени проектирования до 14 раз.

Разработаны и исследованы схема и конструкция NCL-элемента 2-из-2 с логическим гистерезисом, позволяющим реализовать принципы асинхронной логики при синтезе функциональных блоков QCA. Предложенная схема обеспечивает функционирование элемента с гистерезисом (рис. 12). Круговая стрелка показывает петлю памяти, по которой циклически перемещаются данные. Топология, реализующая предложенную схему NCL-элемента показана на рис. 13.

Рис. 12. Схема NCL-элемента 2-из-2 с логическим гистерезисом для технологии QCA

Рис. 13. Топология NCL-элемента 2-из-2 (яркость заливки соответствует определенной тактирующей зоне)

Для функциональной верификации работы разработанного элемента был использован метод бистабильного моделирования, а также САПР QCADesigner, распространяемая по открытой лицензии.

В методе бистабильного моделирования принимается во внимание то, что каждая ячейка это простая система с двумя состояниями. Поскольку экспериментальные данные о временах переключения ячеек отсутствуют, то моделирование не включает в себя временную информацию. С использованием функции отклика вычисляется состояние каждой ячейки относительно других ячеек, попадающих в эффективный радиус. Данное вычисление производится итеративно до тех пор, пока описание всей системы не сойдется к заданной допустимой погрешности.

Хотя данный подход достаточен для функциональной верификации проектов, он не может быть использован для достоверного динамического моделирования. Но он из-за принятых упрощений может быть полезен для относительно быстрого моделирования больших схем.

В пятой главе предлагается методология проектирования асинхронных схем, основой которой являются разработанные автором методы, алгоритмы и программные средства, интегрированные в сквозной маршрут прямой конвертации синхронных проектов, полученных на основе традиционных инструментов, таких как VHDL и С++, в их асинхронный функциональный аналог. Преимущества данного подхода в том, что все функции тестирования и отладки могут быть произведены на оригинальной синхронной версии проекта и прямая трансляция требует от разработчика минимального вмешательства в процесс построения асинхронного проекта.

Традиционный подход к выполнению подобной конвертации состоит в так называемой десинхронизации, когда все синхронные элементы и структуры заменяются их асинхронными аналогами. Далее проводится оптимизация по различным параметрам (быстродействие, занимаемая площадь, энергопотребление). В частности, в ранних работах описан маршрут с применением коммерческих САПР, однако он ориентирован только на методологию NCL-проектирования и может быть применен для реализации разработанных автором методов и программных средств.

Для повышения эффективности разработки асинхронных СБИС, за счет использования лучших достижений «синхроники» и новых методологий построения асинхронных схем, предлагается маршрут сквозного проектирования, этапы реализации которого базируются на разработанных автором методах, алгоритмах и программных средствах, а также существующих (синхронных) коммерческих подсистемах САПР (рис. 14). Этапы, заключенные в пунктирную область, содержат разработанные на основе предложенных автором методов алгоритмы и программные средства.

В маршруте присутствуют следующие этапы:

  • Определение требований для проекта.
  • Разработка функциональных описаний на языке программирования высокого уровня С++ или SystemC.
  • Формирование HDL-описания (HDL – Hardware Description Language) цифрового устройства путем трансляции из функциональных описаний на языке С++ (SystemC) или самостоятельного создания HDL-кода.
  • Моделирование и отладка HDL-описания.

Рис. 14. Маршрут проектирования асинхронных схем

  • Логический синтез с использованием коммерческих компиляторов. Получение RTL-описания (RTL – Register Transfer Level) проекта.
  • Оптимизация RTL-описания и повторный синтез в базис универсальных n-входовых элементов (n = 1, 2, 3, 4).
  • Формальная верификация на логическом уровне.
  • Создание логических таблиц для всех универсальных элементов, входящих в синтезированную схему.
  • Схемотехнический (на транзисторном уровне) синтез каждого универсального элемента.
  • Сборка схемы на транзисторном уровне.
  • Верификация общей транзисторной схемы с использованием SPICE-симулятора.
  • Топологический синтез каждого универсального элемента.
  • Общий топологический синтез схемы из универсальных элементов.
  • Экстракция схемы из топологии.
  • Формальная верификация схемы.

С этапа оптимизации и повторного синтеза в базис универсальных (1-4)-входовых элементов начинается использование разработанных автором (частично или полностью) методов и процедур, относящихся к асихронике. Первой из таких процедур является автоматическая конвертация синхронных схем в базис, удобный для синтеза функциональных блоков асинхронных схем. На данном этапе проводится декомпозиция комбинационной части синхронной схемы в сеть из универсальных n-входовых элементов (рис. 15), причем n может принимать значения от 1 до 4. Ограничение сверху на число n входов универсального элемента обусловлено особенностями схемотехники асинхронных элементов с логическим гистерезисом.

Рис. 15. Декомпозиция на универсальные элементы

На этапе создания логических таблиц для каждого универсального (1-4)-входового элемента схемы строится промежуточная таблица истинности, предназначенная для выполнения схемотехнического синтеза на следующем этапе.

На этапе схемотехнического (на транзисторном уровне) проектирования универсального элемента формируются нечувствительные к задержкам элементы, ориентированные на работу с двухпроводными сигналами по 4-фазному протоколу. Данный этап выполняется с помощью специализированного программного модуля, который воспринимает файлы формата .Elg и выводит результат, как во внутреннем формате, так и в SPICE-формате для цифро-аналогового моделирования.

После схемного синтеза элементов производится их общая сборка в единую схему, включающую в себя все двухсигнальные цепи и сигналы подтверждения.

Для асинхронных схем более важно логическое, нежели схемотехническое моделирование, которое может быть проведено на упрощенном уровне. Это становится возможным благодаря тому, что корректность функционирования асинхронных схем гораздо менее подвержена технологическим разбросам и слабо зависит от условий эксплуатации СБИС. В этом одно из их достоинств.

Конечно, полностью исключить схемотехническое моделирование асинхронных схем нельзя, из-за необходимости оценивать их динамические параметры. В зависимости от сложности проекта циклы схемотехнического моделирования и проектирования топологии могут выполняться на разных уровнях иерархии проекта, чередуясь с этапами верификации топологии и коррекции электрической схемы.

При топологическом синтезе универсальных элементов многократно выполняется процедура формирования рисунков слоев для каждого универсального элемента. Для этой цели используется разработанная автором специализированная подсистема САПР, которая синтезирует топологию с применением оптимизации по различным параметрам.

При формировании топологии применяется разработанный метод на основе стандартных ячеек. Каждая ячейка представляет собой топологический рисунок (1-4)-входового стандартного элемента фиксированной высоты. Ширина ячейки определяется, во-первых, технологическими нормами, во-вторых, количеством входов и, в-третьих, параметризацией конкретного элемента.

Этап общего топологического синтеза схемы на основе блоков универсальных элементов подразумевает сборку общей топологии СБИС с использование рисунков элементов, полученных на предыдущем этапе. Данный этап может проводиться как специализированной, разработанной автором, подсистемой, так и коммерческими САПР, поскольку необходимые процедуры являются традиционными и оперируют с заранее подготовленной по правилам метода библиотекой элементов.

Новизна предлагаемого маршрута проектирования состоит в использовании уникальных методов, алгоритмов, процедур и программных средств на различных его этапах.

С целью реализации данного маршрута проектирования разработаны алгоритмы и программные средства, выполняющие ряд описанных выше процедур. В частности, были разработаны подсистемы САПР для схемотехнического и топологического синтеза асинхронных функциональных блоков.

Для выполнения начального (подготовительного) этапа предложенного маршрута проектирования – получения поведенческого описания на VHDL, разработан метод полностью автоматического формирования VHDL-описаний на основе С++-кода.

Разработка и отладка исходного кода алгоритма, как правило, значительно упрощаются, когда они выполняются с помощью высокоуровнего языка традиционного программирования (C/C++, Паскаль и т.п.), поскольку одни и те же спецификации могут быть использованы как при моделировании, так и при схемном синтезе в общем маршруте проектирования.

Большинство программистов и разработчиков алгоритмов привыкли описывать процедуры для последовательной вычислительной машины. Для того, чтобы создавать эффективные алгоритмы для аппаратной реализации необходимы знания и опыт в области схемотехники (концепции параллельности вычислений, конвейеризации, учета задержек и др.).

Автоматическая трансляция алгоритмов, описанных на C++ в синтезируемое описание на языке VHDL позволит решить подобные проблемы. Однако во многих случаях прямая трансляция не может быть произведена, поскольку возникают трудности учета параллелизма, конвейеризации и обеспечения синтезируемости окончательного описания.

Разработан метод трансляции алгоритмов с языка C++ в синтезируемое подмножество языка VHDL, который позволяет учесть вышеописанные особенности аппаратной реализации алгоритмов асинхронной логики. Получаемый VHDL-код далее используется для синтеза асинхронных схем.

В рамках метода задаются правила написания программ на С++:

– специально определяются функции для трансляции;

– функции, неподлежащие трансляции не должны возвращать никакого значения, т.е. в ней отсутствует оператор return, а тип возвращаемого значения – void;

– функции, подлежащие трансляции не должны вызывать библиотечных функций, которые не имеют исходного кода или потенциально несинтезируемые (например, printf и др.). Если есть необходимость в вызове другой функции, то она должна иметь исходное описание;

– входные данные – обычные аргументы функции, а возвращаемые – ссылочные переменные;

– все переменные в транслируемой функции должны быть статическими;

– каждый вызов (во время моделирования) транслируемой функции с фиксированным набором аргументов, соответствует одному такту рабочей частоты аппаратной реализации.

Также предлагаются принципы построения VHDL-описаний асинхронных блоков на основе языка SystemC, который фактически является библиотекой классов, учитывающей особенности аппаратной реализации функций проекта (сигналы, параллельность выполнения и др.).

Эффективность предложенного метода трансляции функциональных описаний на языке С++ в VHDL-описания с учетом особенностей асинхронной логики доказана результатами сравнительного анализа с существующими методами проектирования систем-на-кристалле, которые либо не предназначены для разработки асинхронных систем, либо не позволяют прямую трансляцию с исполнимых спецификаций. Сокращение времени проектирования достигает в среднем 50%.

Эффективность предложенного маршрута сквозного проектирования асинхронных систем, интегрирующего в себе разработанные и известные методы была показана апробацией на примере проектов микроконтроллера, турбодекодера, криптопроцессора и др. Сокращение времени проектирования асинхронных систем достигает в среднем 90%.

В приложении представлены документы о внедрении результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В рамках диссертационной работы предложены и исследованы методы повышения энергоэффективности вычислительных систем, реализующихся по технологии КМОП и на основе квантовых клеточных автоматов. В частности разработаны:

- методология построения цифровых асинхронных компонентов систем-на-кристалле, включая схемотехнические основы создания асинхронных функциональных блоков. Данная методология позволяет сократить число транзисторов в асинхронных блоках и повысить их энергоэффективность;

- аналитические модели для оценки энергопотребления и задержек сигналов асинхронными элементами и функциональными блоками, позволяющие на основе введенного интегрального критерия относительно быстро и с приемлемой точностью (до 8%) оценить энергоэффективность проектируемых элементов без применения ресурсозатратного моделирования. Модели предназначены для использования в САПР СБИС асинхронной логики;

- методика нахождения оптимальных ширин каналов транзисторов для максимизации энергоэффективности;

- метод повышения энергоэффективности на архитектурном уровне. Анализ и апробация данного метода на примере разработки архитектуры турбодекодера показали, что получаемые решения отличаются от аналогов меньшими, минимум в 2 раза, энергопотреблением и площадью. Предложенные идеи архитектурного преобразования функциональных блоков использованы при проектировании новых систем микроэлектронной техники.

- метод оптимизации межблочных транзакций и распределения задач в системах-на-кристалле для повышения их энергоэффективности;

- метод проектирования вычислительных устройств с малым энергопотреблением на основе квантовых клеточных автоматов;

- конструкции элементов асинхронной логики на основе квантовых клеточных автоматов;

- методология автоматизированного проектирования асинхронных микроэлектронных систем-на-кристалле. Данная методология проектирования в виде маршрута реализуется с помощью существующих средств САПР и разработанных программных средств,

- метод проектирования асинхронных функциональных блоков с использованием языка C++, который позволил сократить время проектирования микроэлектронных систем;

- метод построения VHDL-описаний малопотребляющих функциональных блоков для повторного использования на основе описаний на языке SystemC. Данный метод использован в общем маршруте проектирования для сокращения временных затрат на разработку микроэлектронных систем;

- маршрут проектирования СБИС на основе библиотеки элементов AMS-0,8 мкм для САПР Leonardo Spectrum;

- маршрут проектирования заказных СБИС от уровня поведенческого представления на языке VHDL до структурного описания в формате EDIF;

- проект БИС арбитра шин многопроцессорной вычислительной системы, выполненный на библиотеке элементов HP-0,5 мкм;

- БИС арбитра шин для многопроцессорной вычислительной системы на основе БМК серии 5503ХМ2;

- проект БИС арбитра шин для многопроцессорной вычислительной системы на основе ПЛИС;

- проект БИС декодера сверточных турбокодов для спутниковой телекоммуникационной системы INMARSAT;

- проект статического ОЗУ для технологической линейки кремний-на-изоляторе;

- подсистема САПР для синтеза топологии статического ОЗУ для систем-на-кристалле.

Публикации по диссертации в изданиях из Перечня ВАК.

  1. Ковалев А.В. Асинхронный MAP-декодер с пониженным энергопотреблением// Вестник компьютерных и информационных технологий. № 7, 2009. – с. 49-55.
  2. Ковалев А.В., Коноплев Б.Г., Бибило П.Н. Маршрут проектирования с автоматической конвертацией проектов синхронных СБИС в асинхронные // Известия вузов. Электроника. № 3(77), 2009. – с. 18-25.
  3. Ковалев А.В. Метод проектирования быстродействующих асинхронных цифровых устройств с малым энергопотреблением // Известия вузов. Электроника. № 1, 2009. – с. 48-53.
  4. Konoplev B.G., Kovalev A.V., Kalskov V.V. New Method for Improving Quantum-Algorithm Reliability // Russian Microelectronics ISSN 1063-7397, 2007, Vol. 36, No. 2, pp. 135–138. © Pleiades Publishing, Ltd., 2007.
  5. Коноплев Б.Г., Ковалев А.В., Кальсков В.В. Метод повышения надежности работы квантовых алгоритмов // Микроэлектроника, 2007. №2. - с. 15 – 21.
  6. Ковалев А.В. Метод проектирования цифровых асинхронных устройств с малым энергопотреблением // Известия ТРТУ. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. № 9(53). – с. 123.
  7. Ковалев А.В. Метод проектирования систем-на-кристалле на основе сетевых алгоритмов // Известия вузов. Электроника. № 2, 2005. – с. 49-53.
  8. Ковалев А.В. Методика и программные средства автоматического синтеза библиотечных элементов для модулей статических ОЗУ // Известия ТРТУ. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004. № 1(36). – с. 116-120.
  9. Ковалев А.В., Коноплев Б.Г., Рындин Е.А. Генератор топологии статических ОЗУ // Известия ТРТУ. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003. № 1(30). – с. 113-114.
  10. Ковалев А.В. Четырехсторонние логиче­ские элементы заказных СБИС // Известия ТРТУ. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2001. - №1(19). - с. 95.
  11. Ковалев А.В. Логические элементы для деформируемых субблоков заказных БИС // Известия ТРТУ. Таганрог: ТРТУ, 2000. - №3(17). - с. 155-159.
  12. Ковалев А.В., Коноплев Б.Г. Метод мозаичного синтеза топологии заказных СБИС // Известия вузов. Электроника. № 4, 1999. – с.23-29.

Монография.

  1. Ковалев А.В. Технологии энергосбережения в микроэлектронных устройствах // Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. – 100 с.

Основные публикации по диссертации в других изданиях.

  1. Коноплев Б.Г., Ковалев А.В., Будяков А.В. Комплект СФ-блоков для систем обработки и криптозащиты цифровых сигналов // Электронные компоненты, 2007. №2. - с. 11 – 16.
  2. Ковалев А.В., Коноплев Б.Г. Графический редактор для проектирования заказных СБИС // Материалы Всероссийской НК «Радиоэлек­троника, микроэлектроника, системы связи и управления» (РЭС-97). Таганрог: ТРТУ, 1997. – 43-46.
  3. Ковалев А.В., Коноплев Б.Г. Генератор топологии фрагментов СБИС // Труды IV Всероссийской НТК с международным уча­стием «Актуальные проблемы твердо­тельной электроники и микро­электроники» (ПЭМ-97). – Дивноморское, 1997. – с.88-90.
  4. Ковалев А.В., Коноплев Б.Г. Алгоритм размещения фрагментов микросхемы для кремниевого компилятора // Материалы НТК «Радиоэлектроника и элек­тротехника в народном хозяй­стве». - Москва, 1998. – с.75-78.
  5. Ковалев А.В., Коноплев Б.Г. Методология синтеза топологии заказных БИС на основе фрагментов с «плавающими контактами». Methodology of the ASIC layout syntheses on the base of fragment with “floating contacts” // Труды XXV Юбилейной Меж­дународной конференции и дис­куссионного научного клуба «Новые информацион­ные тех­нологии в науке, обра­зовании, телекоммуникации и бизнесе» (IT+SE’98). - Ялта-Гурзуф, 1998. – с. 98-102.
  6. Ковалев А.В., Коноплев Б.Г. Логические элементы для заказных быстродействующих матричных СБИС // Труды V Всероссийской НТК с международным уча­стием «Ак­туальные проблемы твердотель­ной электроники и микроэлек­троники» (ПЭМ-98). – Дивно­морское, 1998. – с. 140-142.
  7. Ковалев А.В., Коноплев Б.Г., Рындин Е.А. Расчет надежности систем с учетом устройств управления // Труды VI Международной НТК «Актуальные про­блемы твердо­тельной электро­ники и микро­электроники» (ПЭМ-99). – Див­номорское, 1999. с. 141.
  8. Ковалев А.В. Логические элементы для деформируемых субблоков заказных СБИС // Труды VI Международной НТК «Актуальные про­блемы твердо­тельной электро­ники и микро­электроники» (ПЭМ-99). – Див­номорское, 1999. с. 151
  9. Ковалев А.В. Метод быстрой экстракции паразитных емкостей топологии интегральных схем // Труды VII международной НТК «Актуальные про­блемы твердо­тельной электро­ники и микро­электроники» (ПЭМ-2000). – Дивноморское, 2000. Ч.2. – с. 84-85.
  10. Ковалев А.В. Описание положения блоков СБИС древовидной структурой // Тезисы докладов V Всероссий­ской НТК «Тех­ниче­ская кибернетика, радио­электро­ника и системы управ­ления» (КРЭС-2000). - Таган­рог: ТРТУ, 2000. - с. 228.
  11. Ковалев А.В. Структура представления данных о размещении блоков СБИС // Электроника и информатика - XXI век. Третья Международ­ная НТК: Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2000. – 230 с.
  12. Ковалев А.В., Коноплев Б.Г. Генетический алгоритм размещения разногабаритных блоков СБИС // Перспективные информаци­онные технологии и интеллек­туальные системы. - Таганрог: ТРТУ, 2001, № 5. с. 71–87.
  13. Ковалев А.В. Подсистема многоуровне­вой канальной трассировки микроэлектронных компо­нентов интегральных схем // Всероссийская НТК «Электроника»: Тезисы докладов. – М.: МИЭТ, 2001. - с. 86 -87.
  14. Ковалев А.В., Коноплев Б.Г. Методика размещения блоков СБИС на основе генетической эволюции // Труды международного кон­гресса «Искусственный интел­лект в XXI веке» (ICAI’2001). - М.: Изд-во Физико-матема­тиче­ской литературы, 2001. с.695-704.
  15. Ковалев А.В., Коноплев Б.Г. Представление положения разногабаритных блоков СБИС направленным графом // Труды международных конфе­ренций «Искусственные интел­лектуальные системы» (IEEE AIS'02) и "Интеллектуальные САПР" (CAD-2002). Научное издание. - М.: Изд-во Физико-матема­тической литературы, 2002. с.308-314.
  16. Ковалев А.В. Метод формирования триггерных кластеров СБИС // Электроника и информатика – 2002. Труды IV Международной НТК. Ч. 1. – М.: МИЭТ, 2002. - с. 341-343.
  17. Konoplev B.G., Ryndin E.A., Kovalev A.V. An Embedded Static RAM Generator Based on a Parameterized Library // Proceedings of International Conference On ASIC (ASICON 2003), Beijing, China, Oct. 21-24, 2003. – 140 -147 pp.
  18. Ковалев А.В. Метод распределения цепей синхронизации компонентов микроэлектронных систем // «Электроника». Вторая Всероссийская НТК. – М.: МИЭТ, 2003. – с. 247-248.
  19. Ковалев А.В., Козловский А.Е. Алгоритм трансляции топологических файлов из формата CIF в формат SOURCE // «Электроника». Вторая Всероссийская НТК. – М.: МИЭТ, 2003. – с. 212-213.
  20. Ковалев А.В. Разработка метода построения VHDL-описаний СФ-блоков для повторного использования в системах обработки изображений на основе описаний на языке SystemC // Труды IX международной НТК «Актуальные про­блемы твердо­тельной электро­ники и микро­электроники» (ПЭМ-2004). – Дивноморское, 2004. Ч.2. – с. 43-46.
  21. Ковалев А.В., Кальсков В.В. Средства моделирования квантовых алгоритмов // Труды Х Международной НК и школы-семинара «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (ПЭМ-06). – Таганрог, часть 2, 2006. – с. 35-36.
  22. Ковалев А.В. IP-блок декодирования сверточных турбокодов // Труды Х Международной НК и школы-семинара «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (ПЭМ-06). – Таганрог, часть 2, 2006. – с. 143-146.
  23. Ковалев А.В., Зыонг М.З. Аппаратное самотестирование компонентов RISC-процессора // Труды Х Международной НК и школы-семинара «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (ПЭМ-06). – Таганрог, часть 2, 2006. – с. 146-149.
  24. Ковалев А.В., Коноплев Б.Г. Комплект СФ-блоков для систем обработки и передачи видеоизображений // Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем – 2006 (МЭС-06). Сборник научных трудов / под общ.ред. А.Л. Стемпковского. – М.: ИППМ РАН, 2006. – с. 353-356.
  25. Ковалев А.В., Будяков А.В. Встраиваемый блок криптозащиты с интерфейсом AMBA AHB // Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем – 2006 (МЭС-06). Сборник научных трудов / под общ.ред. А.Л. Стемпковского. – М.: ИППМ РАН, 2006. – с. 357-360.
  26. Ковалев А.В. Метод синтеза энергосберегающих функциональных асинхронных блоков систем-на-кристалле // Автоматизация проектирования дискретных систем (Computer-Aided design of Discrete Devices – CAD DD’07): Материалы Шестой международной конференции, 14-15 ноября 2007 г., Минск. Т.1. – Минск: ОИПИ НАН Беларуси, 2007. С. 137-142.

Свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.

  1. Итенберг И.И., Ковалев А.В., Коноплев Б.Г. и др. Свидетельство №2003612336 от 14.10.2003 г.
  2. Коноплев Б.Г., Ковалев А.В., Рындин Е.А. Свидетельство №2004611653 от 12.07.2004 г.

Личный вклад диссертанта в работы, опубликованные в соавторстве, состоит в том, что основные задачи, составляющие содержание диссертации, были поставлены им самостоятельно и доведены до практического решения. В частности:

в [2] - разработан маршрут и алгоритмы проектирования асинхронных СБИС с использованием автоматической конвертации проектов;

в [4, 5] - предложен и исследован метод построения квантовых вычислительных устройств;

в [9] - разработан метод, алгоритмы и программные средства топологического синтеза блоков статического ОЗУ с малым энергопотреблением;

в [12] - предложен метод топологического синтеза СБИС с малым энергопотреблением;

в [14-20, 25, 27, 28, 30, 32, 34, 36, 37, 38] - разработаны СФ-блоки для систем обработки и криптозащиты цифровых сигналов, алгоритм и программное обеспечение для проектирования заказных СБИС, алгоритм и программное обеспечение для генерации топологии фрагментов СБИС, алгоритм размещения фрагментов микросхемы для кремниевого компилятора, методология синтеза топологии заказных БИС на основе фрагментов с «плавающими контактами», Логические элементы для заказных быстродействующих матричных СБИС, генетический алгоритм размещения разногабаритных блоков СБИС, методика размещения блоков СБИС на основе генетической эволюции, представление положения разногабаритных блоков СБИС направленным графом, алгоритм трансляции топологических файлов из формата CIF в формат SOURCE, средства моделирования квантовых алгоритмов, метод аппаратного самотестирования компонентов RISC-процессора, проект встраиваемого блока криптозащиты с интерфейсом AMBA AHB.

в [40,41] - разработаны алгоритмы и исходные коды.

Таганрог.

Типография ТТИ ЮФУ. 2009 г.

Зак. № ___. Тираж 150 экз.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.