[发明专利]一种多电压三维专用片上网络芯片的层划分方法

摘要

一种多电压三维专用片上网络芯片的芯片层划分方法，属于三维芯片集成设计技术领域，其特征在于使用整数线性规划为供电电压与层数的数量相对关系上的三种模式在保证电压分配和芯片间面积均均衡的条件下，对芯片总功耗进行优化，包含模块功耗和层间功耗的同步优化，而且在芯片层进行多电压供应条件下，在供电电压在模块以及芯片上分配时实现，电压分配与层划分的结合也使总功耗得到优化。

主权项

1.一种多电压三维专用片上网络芯片的芯片层划分方法，其特征在于，是一种用整数线性规划模型进行层划分和电压分配的网络芯片总功耗的优化方法，同时兼顾了各层芯片的面积均衡和电源/地线供电网络资源的优化，是在计算机中依次按照以下步骤实现的：步骤（1），读入模块信息，包括模块总数N，模块大小以及在可选电压下的功耗，其中：给定各可选电压值及可选电压总数m，总芯片层数S以及模块之间的通信量；步骤（2），按照以下步骤按所给定的m、S之间的数量关系建立整数线性规划建模；情况（2.1），在可选电压m等于芯片层数S时，m=S，依次执行下述步骤：步骤（2.1.1），为各层芯片添加电压分配约束：步骤（2.1.1.1），为各层建立唯一的电压岛：Σl=1mxil=1,1≤i≤N,i=1,2...,i,...N,1≤l≤m,l=1,2...,l,...,m]]>   公式（1）i为模块序号，l为可选电压序号，当m=S时，也为层S中各层的序号；x_il=1表示每个模块i上只有一个可选电压，同时任何模块i只分配在一个层上；x_il=0表示层l上无模块i；步骤（2.1.1.2），为所有模块，添加模块的最低需求电压约束，表示为：Σl=0Iixil=0]]>   公式（2）Σl=0Uixil=1]]>   公式（3）U_i表示模块i的最低需求电压；表示对于所有可选电压中，任何小于U_i的可选电压都不会选取；表示对于所有可选电压中，模块i必须选取大于U_i的可选电压中的一个；步骤（2.1.2），为各层芯片添加面积均衡约束，表示为：areal=Σi=0Nareai·xil≤1S·Area+ϵ·Area]]>   公式（4）Area为N个模块的总面积，1/S·Area为芯片层的模块平均面积；Area_l为层l上模块的总面积；ε为面积松弛变量，设定ε=0.01；ε·Area表示芯片间面积差的许可范围，表示层l上所有模块的面积area_i之和；步骤（2.1.3），计算多电压专用片上网络芯片的总功耗P：步骤（2.1.3.1），按下式计算N个模块在S层上的运行总功耗P_core：Pcore=Σl=0SΣi=1NPil·xil]]>    公式（5）P_il为模块i在层l上的功耗，表示层l上所有模块的功耗之和；步骤（2.1.3.2），按下式计算S层中层间通信总功耗P_vcom：Pvcom=CostvΣi=0NΣj=1NΣl=1SΣk=1SComij·xil·xjk]]>公式（6）其中，1≤i≤N,1≤j≤N,i≠j,1≤l≤S,1≤k≤S,l≠k；Cost_v为层间单位通信量产生的功耗，Com_ij表示非同层的模块i和j之间的通信量；Com_ij·x_il·x_jk表示层l上的模块i和层k上的模块j的垂直通信时的通信量；在无垂直通信时，Com_ij=0；步骤（2.1.3.3），按照下式将非线性约束转换为线性约束：Pvcom=CostvΣi=0NΣj=1NΣl=1SΣk=1SComij·xil,jk]]>x_il+x_jk-1≤x_il，jk    公式（7）步骤（2.1.3.4），求P=P_core+P_vcom步骤（2.1.4），目标函数为：MinimizeP   公式（8）约束条件为电压分配约束、面积均衡约束；步骤（2.2），在可选电压数m小于总层数S时，m<S，表示存在着某些层共享同一可选电压值，依次执行下述步骤：步骤（2.2.1），得到可能的可选电压值-层号的候选方案，步骤如下：步骤（2.2.1.1），按照步骤（2.1.1）所述的方法添加电压分配的约束，把N个模块分别赋予最低需求电压，视共享一个可选电压值的各层总称为一个大层，层数用H表示；步骤（2.2.1.2），从步骤（2.2.1.1）得到每个可选电压下的模块数，由此得到各个可选电压值与层号的映射表，称为多个可能的可选电压值-层号的候选方案；步骤（2.2.2），针对步骤（2.2.1）中每个可选电压值-层号的候选方案，分别求解层划分方案，步骤如下：步骤（2.2.2.1），将可选电压值-层号的候选方案中具有相同可选电压值的各层合并为一个大层，H为合并后的总层数，按下式添加H层中各层h的面积均衡约束：Areah=Σi=0Nareai·xih≤khH·Area+ϵ·Area]]>    公式（9）Area为H个层中所有N个模块的总面积，k_h为层h所包含的合并前的层数，area_i为模块i的面积，1≤i≤i_h；x_ih为模块i在层h上，x_ih=1表示层h上有一个模块i，k_h/H·Area为芯片层h的模块所占有的平均面积，为层h上模块的总面积；ε为面积松弛变量，ε·Area表示芯片间面积差的许可范围；步骤（2.2.2.2），针对步骤（2.2.1）中每个可选电压值-层号的候选方案，按照步骤（2.1.1）的方法添加H层下各层芯片添加电压分配约束；步骤（2.2.2.3），针对步骤（2.2.1）中每个可选电压值-层号的候选方案，按照步骤（2.1.3）的方法计算在m<S时多电压专用片上网络芯片的总功耗P₂；步骤（2.2.2.4），按照（2.1.4）所述的方法建立m<S下的目标函数：MinimizeP₂   公式（10）约束条件为步骤（2.2.2.1）的面积均衡约束和步骤（2.2.2.2）的电压分配约束；步骤（2.2.3），针对步骤（2.2.1）中每个可选电压值-层号的候选方案，分别求解步骤（2.2.2.4）的目标函数，得到每个可选电压值-层号的候选方案下的H个层的层划分结果，并从这些结果中选择一个总功耗最小的候选方案作为m<S条件下H个层的最终层分配方案；步骤（2.2.4），在考虑了步骤（2.2.3）中得到的已经分配好的层与层间通信的条件下，用面积均衡的最小割算法把所有大层H重新划分为H’个普通层，步骤如下：步骤（2.2.4.1），为所述大层H建立各层h的模块间的通信图CCG_h：节点为大层H中的模块，节点的权重为该节点所对应模块的面积，边表示模块间的通信，边的权重为通信量的大小；步骤（2.2.4.2），在所述的CCG_h图中，对每一个已经分配好可选电压值的层，分别添加一个节点，该节点表示对应层内的各模块，权重为对应层内所有模块的面积之和；将所述大层H中的各模块与加入的含有与之通信模块的新节点相连，边权为通信量的大小；步骤（2.2.4.3），在所述的CCG_h图中，用权值均衡的最小割算法将所述CCG_h图中节点划分为H’集合，步骤如下：步骤（2.2.4.3.1），将节点编号、节点对应的权值，节点之间的边以及边权值输入到最小割算法中，通过运行算法，将节点划分到不同的H’个集合中，从而将所述大层H划分为H’个普通层；步骤（2.2.4.3.2），为新划分的普通层进行编号，编号值与该层中含有步骤（2.2.4.2）的新加入节点的编号一致；步骤（2.2.4.3.3），将每个普通层中包含的步骤（2.2.4.2）加入的新节点去除，将剩下的节点对应的模块放置于相应的新划分的层中；步骤（2.2.4.3.4），将新生成的层按照序号由小到大的顺序，并对号添加到已经分配好的相应层中，新生成的层要与编号相同的已有层相邻；步骤（2.3），若某些层使用多个可选电压值，用m>S表示，建模步骤如下：步骤（2.3.1），把N个模块分别赋予其最低需求电压；步骤（2.3.2），根据每个可选电压值下模块个数，得到电压岛之间的模块数量比；根据这个比例，得到一些可能的可选电压值-层号的候选方案；同样以如图4(a)的三个电压岛，两个芯片层为例，可以得到图4(c)的候选方案；步骤（2.3.3），分别设定：施加单独可选电压的层数S₁与施加了多个可选电压的层数S₂，且S₁+S₂=S；步骤（2.3.4）对于每一个含有多个可选电压值m’的层l，1≤m′≤m，按下式计算其上模块总面积Area_l的均衡约束：Areal=Σi=0NΣk=0mareai·x′ik·ykl≤1s·Area+ϵ·Area]]>   公式（11）Area为所有N个模块的总面积，area_i为模块i的面积，1≤i≤N；x′_ik为模块i是否分配了可选电压值k，x′_ik=1表示模块i分配了电压值k，1≤k≤m；y_kl表示电压k是否在层l上，y_kl=1表示层l上有电压k，对于每一个可选电压值-层号的候选方案，y_kl的取值是确定的；为层h上模块的总面积；步骤（2.3.5），针对步骤（2.3.2）中每个可选电压值-层号的候选方案，按照步骤（2.1.1）的方法添加H层下各层芯片添加电压分配约束；步骤（2.3.5），针对步骤（2.3.2）中每个可选电压值-层号的候选方案，按照步骤（2.1.3）的方法计算在m>S时多电压专用片上网络芯片的总功耗P₃；步骤（2.3.6），按照（2.1.4）所述的方法建立m>S下的目标函数：MinimizeP₃    公式（12）约束条件为步骤（2.3.4）的面积均衡约束和步骤（2.3.5）的电压分配约束；步骤（3），根据步骤（2）中根据m和S之间的大小关系分别建立的目标函数，分别用整数线性规划求解工具进行求解，步骤如下：步骤（3.1），对于步骤（2.1）所述情况，直接求解得到m=S时的层划分分配方案；步骤（3.2），对于步骤（2.2）所述情况，按如下步骤求解：步骤（3.2.1），针对每个可选电压值-层号的候选方案，分别求解整数规划模型，得到H个层的层划分结果；步骤（3.2.2），从步骤（3.2.1）中的结果中选择一个总功耗最小的候选方案作为m<S时H个层最终的层分配方案，步骤（3.2.3），按照步骤（2.2.4）所述的方法将H个层中的大层重新划分为普通层；步骤（3.3），对于步骤（2.3）所述情况，按如下步骤求解：步骤（3.3.1），针对每个可选电压值-层号的候选方案，分别求解整数规划模型，得到层划分结果；步骤（3.3.2），从步骤（3.3.1）中的结果中选择一个总功耗最小的候选方案作为m>S时最终的层分配方案。