用于芯片熱分析的混合隨機(jī)行走方法
【專利摘要】一種用于芯片熱分析的混合隨機(jī)行走方法，該方法運(yùn)用于計(jì)算機(jī)中，該方法包括：（a）建立針對(duì)芯片系統(tǒng)特征的懸浮隨機(jī)行走轉(zhuǎn)移區(qū)域終點(diǎn)位置編號(hào)數(shù)組，并將所建立的終點(diǎn)位置編號(hào)數(shù)組保存至計(jì)算機(jī)的硬盤；（b）讀取上述建立的終點(diǎn)位置編號(hào)數(shù)組至計(jì)算機(jī)的內(nèi)存；（c）對(duì)于芯片系統(tǒng)中需計(jì)算溫度的位置點(diǎn)，采用網(wǎng)格隨機(jī)行走過程與懸浮隨機(jī)行走過程相結(jié)合的混合隨機(jī)行走方法計(jì)算該位置點(diǎn)的溫度；（d）若還有所需計(jì)算的位置點(diǎn)的溫度沒有計(jì)算，則返回步驟（c），直到有所需計(jì)算的位置點(diǎn)的溫度全部計(jì)算完畢。利用本發(fā)明提高了對(duì)芯片進(jìn)行熱分析的計(jì)算速度。
【專利說明】用于芯片熱分析的混合隨機(jī)行走方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于芯片熱分析的混合隨機(jī)行走方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著集成電路的發(fā)展，集成電路中包含的器件越來越多，單位面積上的功耗呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。因此，集成電路的發(fā)熱問題日益突出，為了不影響電路正常工作及其可靠性，需要配備有效的散熱部件，它們共同構(gòu)成一個(gè)熱傳導(dǎo)系統(tǒng)。
[0003]在集成電路設(shè)計(jì)過程中，為了保證最終生產(chǎn)出的芯片能正常工作、以及應(yīng)具備的性能，需要對(duì)集成電路進(jìn)行熱分析(熱仿真)，即計(jì)算其在各種工作模式(對(duì)應(yīng)各種電路模塊的功率分布情況)下的最高溫度。這需要算出芯片上的溫度分布、或者某些熱位置點(diǎn)位置(可能出現(xiàn)最高溫度的位置)上的溫度。根據(jù)這些溫度信息可以進(jìn)一步分析電路性能，并驗(yàn)證其是否滿足設(shè)計(jì)要求。為了進(jìn)行準(zhǔn)確的芯片熱分析，有必要考慮熱擴(kuò)散器、散熱片等散熱部件的影響，因此在熱分析中處理的是包括它們與芯片的整體系統(tǒng)。有研究表明，如果不考慮散熱部件、或?qū)ζ鋷缀涡螤钸M(jìn)行近似簡(jiǎn)化，對(duì)芯片進(jìn)行熱分析的結(jié)果可能造成超過十?dāng)z氏度的誤差。
[0004]由于散熱片等部件的尺寸遠(yuǎn)大于集成電路芯片尺寸，使得進(jìn)行芯片系統(tǒng)的整體熱分析需要很長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。在2012年發(fā)表于ACM Transactions on Design Automationof Electronic Systems 的文獻(xiàn)“Fast Poisson solvers for thermal analysis，，中，提出了一種考慮實(shí)際的金字塔型芯片系統(tǒng)的FPS-PCG熱分析方法。該方法對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行體積元離散，然后根據(jù)任意相鄰兩個(gè)小元之間的熱電阻聯(lián)立形成熱電路方程，采用一種預(yù)條件的共軛梯度法求解該線性方程組。其中，預(yù)條件矩陣為一個(gè)近似實(shí)際金字塔型結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的熱電路方程系數(shù)矩陣，由于求解長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)區(qū)域時(shí)可以使用快速泊松求解器(FPS)，而這種預(yù)條件矩陣是原系數(shù)矩陣的很好近似，該FPS-PCG方法能很快收斂，比直接求解熱電路方程的方法有低得多的計(jì)算復(fù)雜度。
[0005]為了減少計(jì)算量，有時(shí)只計(jì)算少量熱位置點(diǎn)位置(可能經(jīng)驗(yàn)選取的，例如芯片上熱源區(qū)域的某些位置)的溫度。這時(shí)采用一種隨機(jī)行走方法比較有效，該方法將求解整個(gè)芯片系統(tǒng)的熱方程轉(zhuǎn)化為一個(gè)熱電阻網(wǎng)絡(luò)，然后在該熱電阻網(wǎng)絡(luò)上使用基于網(wǎng)格隨機(jī)行走方法。具體的方法細(xì)節(jié)可參考2005年發(fā)表在國(guó)際期刊IEEE Transactions onComputer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems 上的論文“Power gridanalysis using random walks”,或2010年發(fā)表在《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)》上的論文“隨機(jī)行走算法在IC芯片熱分析中的應(yīng)用”。
[0006]懸浮隨機(jī)行走方法是不同于網(wǎng)格隨機(jī)行走方法的另一種隨機(jī)行走方法，它的每次隨機(jī)行走跳轉(zhuǎn)并不局限于相鄰網(wǎng)格位置點(diǎn)，而是使用一種可放縮的空間轉(zhuǎn)移區(qū)域，從轉(zhuǎn)移區(qū)域中心位置點(diǎn)跳到轉(zhuǎn)移區(qū)域邊界上的某位置點(diǎn)。懸浮隨機(jī)行走已成功用于三維互連線的電容計(jì)算問題，具體細(xì)節(jié)可參考 申請(qǐng)人:2013年在國(guó)際期刊IEEE Transactionson Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems 上發(fā)表的論文uRffCap:A floating random walk solver for3-D capacitance extraction of VLSIinterconnects^但是，由于懸浮隨機(jī)行走方法不便于處理芯片上的熱源區(qū)域，目前還沒有將懸浮隨機(jī)行走方法用于芯片熱分析的工作。
[0007]無論是采用網(wǎng)格隨機(jī)行走方法還是懸浮隨機(jī)行走方法，在對(duì)芯片進(jìn)行熱分析時(shí)計(jì)算速度比較緩慢(即計(jì)算芯片中某一位置點(diǎn)的溫度的時(shí)間過長(zhǎng))，這導(dǎo)致進(jìn)行集成電路設(shè)計(jì)時(shí)需要等待過長(zhǎng)的時(shí)間才能得熱分析結(jié)果，增大了集成電路的設(shè)計(jì)周期，對(duì)集成電路產(chǎn)品的上市時(shí)間、成本、性能造成很不好的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]鑒于以上內(nèi)容，有必要提供一種快速的芯片熱分析方法，提高對(duì)芯片進(jìn)行熱分析的計(jì)算速度，縮短集成電路芯片的設(shè)計(jì)時(shí)間。
[0009]一種用于芯片熱分析的混合隨機(jī)行走方法，該方法運(yùn)用于計(jì)算機(jī)中，該方法包括:(a)建立針對(duì)芯片系統(tǒng)特征的懸浮隨機(jī)行走轉(zhuǎn)移區(qū)域終點(diǎn)位置編號(hào)數(shù)組，并將所建立的終點(diǎn)位置編號(hào)數(shù)組保存至計(jì)算機(jī)的硬盤；(b)讀取上述建立的終點(diǎn)位置編號(hào)數(shù)組至計(jì)算機(jī)的內(nèi)存；(C)對(duì)于芯片系統(tǒng)中需計(jì)算溫度的位置點(diǎn)，采用網(wǎng)格隨機(jī)行走過程與懸浮隨機(jī)行走過程相結(jié)合的混合隨機(jī)行走方法計(jì)算該位置點(diǎn)的溫度；(d)若還有所需計(jì)算的位置點(diǎn)的溫度沒有計(jì)算，則返回步驟(C)，直到有所需計(jì)算的位置點(diǎn)的溫度全部計(jì)算完畢。
[0010]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的混合隨機(jī)行走熱分析方法，提高了對(duì)芯片進(jìn)行熱分析的計(jì)算 速度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明用于芯片熱分析的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件框架圖。
[0012]圖2是本發(fā)明芯片系統(tǒng)的俯視圖。
[0013]圖3是本發(fā)明芯片系統(tǒng)的側(cè)視圖。
[0014]圖4是本發(fā)明用于芯片熱分析的混合隨機(jī)行走方法較佳實(shí)施例的流程圖。
[0015]圖5是本發(fā)明圖4步驟SlO中建立針對(duì)芯片系統(tǒng)特征的懸浮隨機(jī)行走轉(zhuǎn)移區(qū)域終點(diǎn)位置編號(hào)數(shù)組的細(xì)化流程圖。
[0016]圖6是本發(fā)明圖4步驟S30中采用網(wǎng)格隨機(jī)行走過程與懸浮隨機(jī)行走過程相結(jié)合的混合隨機(jī)行走方法計(jì)算該位置點(diǎn)的溫度的細(xì)化流程圖。
[0017]圖7是本發(fā)明芯片系統(tǒng)中劃分的網(wǎng)格隨機(jī)行走區(qū)域、懸浮隨機(jī)行走區(qū)域及懸浮隨機(jī)行走轉(zhuǎn)移區(qū)域的示意圖。
[0018]圖8是本發(fā)明網(wǎng)格劃分的示意圖。
[0019]圖9是本發(fā)明一種熱電阻網(wǎng)絡(luò)的示意圖。
[0020]圖10是本發(fā)明另一種熱電阻網(wǎng)絡(luò)的示意圖。
[0021]圖11是本發(fā)明一次網(wǎng)格隨機(jī)行走跳轉(zhuǎn)的示意圖。
[0022]主要元件符號(hào)說明
[0023]
【權(quán)利要求】
1.一種用于芯片熱分析的混合隨機(jī)行走方法，該方法運(yùn)用于計(jì)算機(jī)中，其特征在于，該方法包括: (a)建立針對(duì)芯片系統(tǒng)特征的懸浮隨機(jī)行走轉(zhuǎn)移區(qū)域終點(diǎn)位置編號(hào)數(shù)組，并將所建立的終點(diǎn)位置編號(hào)數(shù)組保存至計(jì)算機(jī)的硬盤； (b)讀取上述建立的終點(diǎn)位置編號(hào)數(shù)組至計(jì)算機(jī)的內(nèi)存； (C)對(duì)于芯片系統(tǒng)中需計(jì)算溫度的位置點(diǎn)，根據(jù)上述建立的終點(diǎn)位置編號(hào)數(shù)組，采用網(wǎng)格隨機(jī)行走過程與懸浮隨機(jī)行走過程相結(jié)合的混合隨機(jī)行走方法計(jì)算該位置點(diǎn)的溫度；(d)若還有所需計(jì)算的位置點(diǎn)的溫度沒有計(jì)算，則返回步驟(C)，直到有所需計(jì)算的位置點(diǎn)的溫度全部計(jì)算完畢。
2.如權(quán)利要求1所述的用于芯片熱分析的混合隨機(jī)行走方法，其特征在于，所述建立針對(duì)芯片系統(tǒng)特征的懸浮隨機(jī)行走轉(zhuǎn)移區(qū)域終點(diǎn)位置編號(hào)數(shù)組的具體步驟如下: 獲取芯片系統(tǒng)熱源區(qū)域以外區(qū)域的熱導(dǎo)率信息； 構(gòu)造熱導(dǎo)率均勻的懸浮隨機(jī)行走轉(zhuǎn)移區(qū)域，并通過網(wǎng)格隨機(jī)行走方法得到該懸浮隨機(jī)行走轉(zhuǎn)移區(qū)域的第一類終點(diǎn)位置編號(hào)數(shù)組；及 構(gòu)造熱導(dǎo)率不均勻的懸浮隨機(jī)行走轉(zhuǎn)移區(qū)域，并通過網(wǎng)格隨機(jī)行走方法得到該懸浮隨機(jī)行走轉(zhuǎn)移區(qū)域的第二類終點(diǎn)位置編號(hào)數(shù)組。
3.如權(quán)利要求2所述的用于芯片熱分析的混合隨機(jī)行走方法，其特征在于，所述構(gòu)造熱導(dǎo)率均勻的懸浮隨機(jī)行走轉(zhuǎn)移區(qū)域，并通過網(wǎng)格隨機(jī)行走方法得到該懸浮隨機(jī)行走轉(zhuǎn)移區(qū)域的第一類終點(diǎn)位置編號(hào)數(shù)組的具體步驟如下: 構(gòu)造一個(gè)長(zhǎng)寬高分別為aXaX 1、且含均勻熱導(dǎo)率材料的長(zhǎng)方體轉(zhuǎn)移區(qū)域； 對(duì)其設(shè)置預(yù)設(shè)的有限差分網(wǎng)格，并得到對(duì)應(yīng)的熱電阻網(wǎng)絡(luò)；及從長(zhǎng)方體轉(zhuǎn)移區(qū)域中心位置點(diǎn)開始執(zhí)行M次網(wǎng)格隨機(jī)行走方法，每次網(wǎng)格隨機(jī)行走方法按照到達(dá)長(zhǎng)方體轉(zhuǎn)移區(qū)域表面作為結(jié)束標(biāo)志，記錄執(zhí)行這M次網(wǎng)格隨機(jī)行走方法的終點(diǎn)位置信息，即終點(diǎn)二維網(wǎng)格的編號(hào)，形成數(shù)組長(zhǎng)度為M的第一類終點(diǎn)位置編號(hào)數(shù)組。
4.如權(quán)利要求2所述的用于芯片熱分析的混合隨機(jī)行走方法，其特征在于，所述構(gòu)造熱導(dǎo)率不均勻的懸浮隨機(jī)行走轉(zhuǎn)移區(qū)域，并通過網(wǎng)格隨機(jī)行走方法得到該懸浮隨機(jī)行走轉(zhuǎn)移區(qū)域的第二類終點(diǎn)位置編號(hào)數(shù)組的具體步驟如下: 對(duì)每個(gè)不同熱導(dǎo)率區(qū)域的交界面，構(gòu)造一個(gè)長(zhǎng)寬高分別為aXaX 1、且上下兩半的熱導(dǎo)率分別為h和k2的長(zhǎng)方體轉(zhuǎn)移區(qū)域； 對(duì)其設(shè)置預(yù)設(shè)的有限差分網(wǎng)格，并得到對(duì)應(yīng)的熱電阻網(wǎng)絡(luò) '及從長(zhǎng)方體轉(zhuǎn)移區(qū)域中心位置點(diǎn)開始執(zhí)行M次網(wǎng)格隨機(jī)行走方法，每次網(wǎng)格隨機(jī)行走按照到達(dá)長(zhǎng)方體轉(zhuǎn)移區(qū)域表面作為結(jié)束標(biāo)志，記錄執(zhí)行這M次網(wǎng)格隨機(jī)行走方法的終點(diǎn)位置信息，即終點(diǎn)二維網(wǎng)格的編號(hào)，形成數(shù)組長(zhǎng)度為M的第二類終點(diǎn)位置編號(hào)數(shù)組。
5.如權(quán)利要求1所述的用于芯片熱分析的混合隨機(jī)行走方法，其特征在于，所述步驟(C)中采用網(wǎng)格隨機(jī)行走過程與懸浮隨機(jī)行走過程相結(jié)合的混合隨機(jī)行走方法計(jì)算該位置點(diǎn)的溫度的具體步驟如下: (5.1)獲取芯片系統(tǒng)中各個(gè)部件的幾何信息、熱導(dǎo)率信息、芯片上熱源區(qū)域的分布情況以及所需計(jì)算的位置點(diǎn)的坐標(biāo)； (5.2)在芯片系統(tǒng)中建立網(wǎng)格隨機(jī)行走區(qū)域及懸浮隨機(jī)行走區(qū)域；(5.3)從計(jì)算機(jī)的內(nèi)存調(diào)用終點(diǎn)位置編號(hào)數(shù)組； (5.4)初始化當(dāng)前隨機(jī)行走路徑的編號(hào)npath為零，建立一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)數(shù)組T，T將用于存儲(chǔ)隨機(jī)行走路徑的溫度估計(jì)值； (5.5)初始化當(dāng)前隨機(jī)行走路徑的溫度估計(jì)值T[npath]為零,及初始化當(dāng)前點(diǎn)pt的坐標(biāo)為所需計(jì)算點(diǎn)的坐標(biāo)； (5.6)若當(dāng)前位置點(diǎn)pt處于網(wǎng)格隨機(jī)行走區(qū)域，該當(dāng)前位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)網(wǎng)格編號(hào)為j，若Pt還在熱源區(qū)域，更新當(dāng)前隨機(jī)行走路徑的溫度估計(jì)值T[npath] =T[npath]+reward(j),并根據(jù)與該網(wǎng)格位置點(diǎn)連接的熱電阻，進(jìn)行一次網(wǎng)格隨機(jī)行走跳轉(zhuǎn)，更新當(dāng)前位置點(diǎn)Pt的位置，若當(dāng)前位置點(diǎn)Pt處于懸浮隨機(jī)行走區(qū)域內(nèi)，構(gòu)造長(zhǎng)和寬都是高的a倍的轉(zhuǎn)移長(zhǎng)方體區(qū)域，且使該轉(zhuǎn)移長(zhǎng)方體區(qū)域由均勻材料或者上下各一半的兩種材料構(gòu)成，使用相應(yīng)的終點(diǎn)位置編號(hào)數(shù)組實(shí)現(xiàn)從當(dāng)前位置點(diǎn)到轉(zhuǎn)移長(zhǎng)方體區(qū)域表面的懸浮隨機(jī)跳轉(zhuǎn)，更新當(dāng)前位置點(diǎn)Pt的位置; (5.7)若當(dāng)前點(diǎn)pt處于溫度已知為TO的外邊界點(diǎn)，則表明當(dāng)前隨機(jī)行走路徑結(jié)束，則更新當(dāng)前隨機(jī)行走路徑的溫度估計(jì)值T [npath] =T [npath] +TO、更新當(dāng)前隨機(jī)行走路徑編號(hào)即&訪=即&訪+1，之后流程進(jìn)入步驟(5.8)，否則，若當(dāng)前隨機(jī)行走路徑?jīng)]有結(jié)束，流程返回步驟(5.6)； (5.8)根據(jù)浮點(diǎn)數(shù)數(shù)組T中的Τ[0]，Τ[1]，...，T[npath-1]評(píng)估是否滿足隨機(jī)行走過程停止的條件，若滿足隨機(jī)行走過程停止的條件，流程進(jìn)入步驟(5.9)，否則，若得到的隨機(jī)行走路徑溫度估計(jì)值不滿足隨機(jī)行走過程停止的條件，流程返回步驟(5.5);及 (5.9)根據(jù)所有隨機(jī)行走路徑的溫度估計(jì)值得到所需計(jì)算的位置點(diǎn)的溫度。
6.如權(quán)利要求5述的用于芯片熱分析的混合隨機(jī)行走方法，其特征在于，所述在芯片系統(tǒng)上建立網(wǎng)格隨機(jī)行走區(qū)域的具體步驟如下: 將芯片的熱源區(qū)域沿上下兩方向擴(kuò)展一定尺寸，得到網(wǎng)格隨機(jī)行走區(qū)域，然后對(duì)該網(wǎng)格隨機(jī)行走區(qū)域進(jìn)行離散網(wǎng)格劃分，并得到等效的熱電阻網(wǎng)絡(luò)。
7.如權(quán)利要求5所述的用于芯片熱分析的混合隨機(jī)行走方法，其特征在于，所述懸浮隨機(jī)行走跳轉(zhuǎn)的具體步驟如下: 生成一個(gè)O~I之間的均勻分布隨機(jī)數(shù)r，將隨機(jī)數(shù)r乘以M并取整得到O~M之間的隨機(jī)整數(shù)k，然后根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)移區(qū)域?qū)?yīng)的終點(diǎn)位置編號(hào)數(shù)組DP，得到經(jīng)過該次跳轉(zhuǎn)后當(dāng)前位置點(diǎn)所在的表面網(wǎng)格的編號(hào)為DP[k]，根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)移區(qū)域的幾何位置及DP[k]算出新的當(dāng)前位置點(diǎn)Pt的位置。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103793561SQ201410023878
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年1月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月18日
【發(fā)明者】喻文健, 梁緣 申請(qǐng)人:清華大學(xué)