基于WCOJ的UPF供电状态分析器的设计与实现_史明川.pdf

基于WC O J的U P F供电状态分析器的设计与实现*史明川,邹鸿基,秦志楷,李 暾(国防科技大学计算机学院,湖南 长沙 4 1 0 0 7 3)摘 要:随着集成电路工艺水平日益提高,单个芯片上可集成的功能单元数不断增加,电路的总功耗也变得越来越高,特别是超大规模集成电路设计的功耗问题已经无法回避。一套完备的基于U P F的低功耗设计流程可以解决该问题。针对U P F分析主要为数据表运算的特点,提出了一种WC O J算法 L e a p f r o g,对电压域中的每个层次结构的供电电源状态表进行设计规则检查与合并,并设计实现了一个基于WC O J的U P F供电状态分析工具。实验结果表明,该算法在空间复杂度与时间复杂度方面均有改进,且可移植性强,具有重要的理论与实践意义。关键词:低功耗设计;供电状态表;最坏情况最优合并算法中图分类号:T P 3 9 9文献标志码:Ad o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 7-1 3 0 X.2 0 2 3.0 6.0 0 4D e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f U P Fp o w e r s u p p l y s t a t e a n a l y z e r b a s e d o n WC O JS H I M i n g-c h u a n,Z OU H o n g-j i,Q I N Z h i-k a i,L I T u n(C o l l e g e o f C o m p u t e r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,N a t i o n a l U n i v e r s i t y o f D e f e n s e T e c h n o l o g y,C h a n g s h a 4 1 0 0 7 3,C h i n a)A b s t r a c t:W i t h t h e i m p r o v e m e n t o f I C t e c h n o l o g y l e v e l,t h e n u m b e r o f f u n c t i o n a l u n i t s t h a t c a n b e i n t e g r a t e d o n a s i n g l e c h i p i s i n c r e a s i n g,a n d t h e t o t a l p o w e r c o n s u m p t i o n o f t h e c i r c u i t i s b e c o m i n g h i g h e r a n d h i g h e r,e s p e c i a l l y t h e p o w e r c o n s u m p t i o n p r o b l e m o f V L S I d e s i g n h a s b e c o m e u n a v o i d a b l e.T o s o l v e t h i s p r o b l e m,a l o w-p o w e r d e s i g n p r o c e s s b a s e d o n U n i f i e d P o w e r F o r m a t(U P F)i s p r o p o s e d.I n v i e w o f t h e f e a t u r e t h a t U P F a n a l y s i s m a i n l y c o n s i s t s o f d a t a t a b l e o p e r a t i o n s,a n a l g o r i t h m b a s e d o n WC O J(W o r s t-C a s e O p t i m a l J o i n)i s p r o p o s e d t o c h e c k a n d m e r g e t h e d e s i g n r u l e s o f t h e p o w e r s u p p l y s t a t e t a b l e o f e a c h h i e r a r c h y i n t h e v o l t a g e d o m a i n,a n d a p o w e r s u p p l y s t a t e a n a l y s i s t o o l i n l o w p o w e r d e s i g n a n a l y z e r i s d e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e d.T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r o p o s e d a l g o-r i t h m h a s l o w e r s p a t i a l c o m p l e x i t y a n d t i m e c o m p l e x i t y t h a n t h e b i n a r y m e r g e a l g o r i t h m,a n d h a s s t r o n g p o r t a b i l i t y,w h i c h h a s i m p o r t a n t t h e o r e t i c a l a n d p r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e.K e y w o r d s:l o w-p o w e r d e s i g n;p o w e r s u p p l y s t a t e t a b l e;w o r s t-c a s e o p t i m a l j o i n(WC O J)a l g o r i t h m1 引言随着集成电路工艺水平日益提高,单个芯片上可集成的功能单元数不断增加,电路的总功耗也变得越来越高,特别是超大规模集成电路设计的功耗问题已经无法回避。在集成电路工艺进入深亚微米和超深亚微米后,功耗问题成为大规模集成电路设计领域中继性能、面积后的又一关键性问题,因此,针对低功耗技术的研究具有极其重要的地位。目前,低功耗设计贯穿了整个S o C(S y s t e m o n C h i p)的设计流程。一套完备的基于统一电源格式*收稿日期:2 0 2 2-0 5-2 3;修回日期:2 0 2 2-0 7-1 0基金项目:国家自然科学基金(U 1 9 A 2 0 6 2)通信作者:李暾(t u n l i n u d t.e d u.c n)通信地址:4 1 0 0 7 3 湖南省长沙市国防科技大学计算机学院A d d r e s s:C o l l e g e o f C o m p u t e r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,N a t i o n a l U n i v e r s i t y o f D e f e n s e T e c h n o l o g y,C h a n g s h a 4 1 0 0 7 3,H u n a n,P.R.C h i n a C N 4 3-1 2 5 8/T PI S S N 1 0 0 7-1 3 0 X 计算机工程与科学C o m p u t e r E n g i n e e r i n g&S c i e n c e第4 5卷第6期2 0 2 3年6月 V o l.4 5,N o.6,J u n.2 0 2 3 文章编号:1 0 0 7-1 3 0 X(2 0 2 3)0 6-0 9 7 9-0 8U P F(U n i f i e d P o w e r F o r m a t)的低功耗设计流程可以解决该问题。该流程从仿真验证、逻辑综合、布 局 布 线 到 静 态 时 序 分 析1,目 前 已 经 成 为I E E E 1 8 0 1标准。使用U P F 规范,可以描述供电电源网络、电源开关、隔离单元和保持寄存器单元等和功耗设计相关的元素。在低功耗设计流程中加入U P F,可以保证功耗意图在I C 设计流程中的一致性。该一致性可以使低功耗设计意图在仿真、逻辑一致性检查和设计验证等环节更容易实现。被广泛使用的支持U P F标准的低功耗设计工具仍存在一些问题,即电源状态表分析时常耗时较多,占用内存较大。数据库领域的最坏情况下最优合 并WC O J(W o r s t-C a s e O p t i m a l J o i n)算法,对于数据库中给定输入关系大小,最大可能地查询结果的问题,确定了最坏情况运行时间。该研究对电源状态表的设计规则检查与合并有重要的意义。本文使用的L e a p f r o g算法沿用这一思想,与传统的二元合并算法相比,降低了空间开销和时间开销。本文首先基于U P F分析工具U p f P a r s e r对电压域的供电网络进行分析,在此基础上对电压域中的每个层次结构的供电电源状态表进行设计规则检查与合并,然后设计实现了基于U P F的低功耗设计分析器的供电状态分析工具,具有重要的理论与实践意义。2 相关知识2.1 U P F简介U P F用于描述电路中低功耗设计意图的低功耗设计实现流程,现已成为I E E E 1 8 0 1标准2,被广泛应用。低功耗设计之所以需要形成一个设计标准,是因为传统的芯片设计中都是采用V e r i l o g语言来描述电路的结构与功能,但是其中并没有包含芯片的电源网络信息,这就导致在后端流程中即使对功耗及功能的验证没有错误,在流片之后仍然有可能由于电源网络而出错,既增加了设计的风险又提高了设计的成本。基于U P F的低功耗设计可以很好地解决这个问题,因为U P F文件中包含了芯片系统的电源网络信息,可以大大降低设计的风险。并且在先进的工艺制程(深亚微米和超深亚微米)中,随着电路设计越来越复杂,功耗越来越成为重要的电路设计指标,低功耗设计与验证也越来越复杂,所以设计人员都采用U P F来描述芯片系统中的低功耗设计意图,以降低设计的风险3。U P F是由一系列T C L语言组成的,用于描述电路中 的低功耗设计 意图,包含 了不同电压 域(P o w e r D o m a i n)的划分、单元库中的低功耗设计标准单元的放置规则(标准低功耗设计单元包括了隔离单元、电平转换器、电源开关、保持寄存器、常开缓冲器及反相器等)、电源网络的规划及电源状态表的描述4等。在基于U P F的低功耗设计中,从仿真验证、逻辑综合、布局布线到静态时序分析,在设计中使用的都是U P F文件所提供的低功耗设计意图,这大大降低了低功耗设计的风险及复杂性。在目前的低功耗设计方法中,设计工程师需在R T L设计阶段开始同步设计电源系统的U P F描述文件5。代码1展示了一个常规的U P F描述。其中s e t_d e s i g n_t o p用来指定该U P F文件所描述的顶层模块名为TO P;然后使用s e t_s c o p e命令来指定当前U P F 文件的命令对应在R T L 代码中的层次结构;没有指定层次结构时,当前层次对应于设计的最顶层。3个子模块分别为PMG、C P U_1和C P U_2(代码1中省略了子模块的功耗意图设计、顶层模块的供电端口供电线定义、顶层模块供电网络连 接 关 系 定 义 等 功 耗 意 图 设 计),其 中 模 块C P U_1包含子模块A L U。c r e a t e_p o w e r_d o m a i n命令用来创建电压区域。代码1 U P F描述