片上异构复杂电源集群拓扑结构及构建算法研究

The full on-chip heterogeneous power cluster is a good candidate to solve the power integrity problems in complex chips, such as the low power efficiency, high drop voltage, high power noise, complex power management and so on. Since the circuit scale is large, recent design methodologies spend long running time and their processing ability is limited. This project will focus on the on-chip power cluster composed by a few hundreds of power voltage domains. In order to decrease the design complexity, required computing resource and meet different design requirements, the multi-objective decision and recursive algorithm will be applied in the modeling of power cluster and the optimum structure building algorithm. The topologies of power cluster will be analyzed. Several models will be built, which are related to the power wire parasitic parameters, power supply output impedance and equivalent series resistance of decoupled capacitor. Based on the research results mentioned above, a objective function with multi parameters will be designed. Finally, the optimum structure building algorithm will be researched. A novel design methodology and model of the power cluster will be proposed in this project. The project fruits can also be applied in the clock distribution, which have important impact on the development of large scale and complex chips, such as system on chip, network on chip, multi-core processor and so on. This project can provide the theoretical guidance for the design of the power management.

片上异构电源集群可有效解决电源效率差、电压降大、电源噪声大和电源管理复杂等大规模复杂芯片上的电源完整性问题。因电路规模较大，目前的设计方法耗时长且处理能力有限。本项目以包含几百个电压域的片上电源集群作为研究对象，针对其设计复杂度高、消耗计算资源大和应用需求多等问题，采用多目标决策优化和递归迭代等方法进行片上电源集群建模和最优结构构建算法研究。分析片上电源集群的各种拓扑结构，建立电源系统中电源线寄生、电源输出阻抗、去耦电容等效串联电阻等重要参数的数学模型，构建包含多个性能参数的目标函数，探索电源集群逐步扩展建立的算法。项目预期将完成片上异构复杂电源集群的拓扑结构数学建模和提出一种基于多性能参数目标函数的电源集群逐步扩展建立算法。项目研究成果对片上系统、片上网络和多核处理器等大规模复杂芯片的电源管理设计具有重要理论意义和实用价值。项目中提出的算法经移植后，同样适用于时钟分布等其他应用研究领域。

在科学研究、工业生产需求的驱动下，单颗集成电路芯片实现的功能越来越多，芯片的规模、面积和复杂度不断增加。在这种背景下，片上电源管理已经成为大规模复杂芯片发展道路上亟待解决的关键问题。片上异构电源集群可有效解决电源效率差、电压降大、电源噪声大和电源管理复杂等大规模复杂芯片上的电源完整性问题。如何确定最优电源数量和电源位置是电源集群建立要解决的首要问题。因为复杂芯片的电路规模较大，目前的电源集群设计方法耗时长且处理能力有限，而且多需要在给定电源数量的前提下运行。. 本项目将包含几百个电压域的片上电源集群作为研究对象，针对其设计复杂度高、消耗计算资源大和应用需求多等问题，采用多目标决策优化和粒子群算法等方法进行片上电源集群建模和最优结构构建算法研究。主要研究内容为，分析了片上电源集群内电源和负载连接的多种拓扑结构，建立了电源系统中电源线寄生、电源输出阻抗、去耦电容等效串联电阻等重要参数的数学模型。构建了包含多个性能参数的目标函数。研究了以大负载节点为中心逐步扩展的片上电压域划分算法来确定最优电源数量。基于粒子群算法研究电压域内电源稳压器最优位置搜索算法。结合这两部分内容，建立了电源集群逐步扩展建立算法。. 提出的算法由Matlab实现。由IBM电源网格专用测试基准程序仿真结果表明，该算法可以处理包含多达10^5个负载点的电路，电压域数量近500个。算法运行所需时间和计算资源大幅减小。算法不依赖于具体的负载分布情况，能够满足不同类型芯片设计需要。建立的电源集群由Hspice进行了性能验证，结果表明，与测试基准程序原有供电方案相比，电路节点上的电压降，最大可降低40%。项目研究成果对片上系统、片上网络和多核处理器等大规模复杂芯片的电源管理设计具有重要理论意义和实用价值。项目中提出的算法经移植后，同样适用于时钟分布等其他应用研究领域。