专利名称：层次式热驱动的布图规划及布局方法
技术领域：
本发明涉及层次式热驱动的三维芯片，具体涉及三维芯片的层次式热驱动的布图 规划及布局方法。
背景技术：
将多个器件层次堆叠在一起的三维集成技术，可以显著地提高晶体管的堆积密度 和降低芯片面积，同时减少走线距离，因此能降低指数级增长的电路复杂性所引起的互连 延迟问题(参见文献[1])。然而，由于层次堆叠的多个器件会引起功率密度的迅速增长，并 且插入器件层之间的绝缘体的导热性比硅或者金属材料的导热性低，致使热量散逸成为三 维集成电路设计最严峻的挑战。一般来说，若要最终取得较优的热量散逸效果，在三维集成 电路设计的各个阶段应考虑热量的散逸问题。由于在布图规划/布局阶段可以改进任何针 对局部功率的密度分布，因而布图规划/布局阶段对于优化热源分布、促进热量散逸较为 重要。目前，Goplen和Sapatnekar提出了热驱动的三维布局方法，该方法主要解决层 内热模块的均衡布局问题，其通过在热驱动布局中将热变化目标类比成其它的力矢量来实 现，然而该方法的主要缺陷是热分析过程过于耗时，热优化算法的运行效率非常低。。其后，Jason Cong等人提出了基于“联合木桶矩阵”(简称CBA)的热导向的三维 布局方法，其在使用四层的CBA-T (温度驱动的联合木桶矩阵)时，不仅减少10-20%的封装 面积，而且芯片的最高温度可降低40-50%，可以促进热量散逸，然而该方法的主要缺陷是 解空间太大。然而，对于多器件层结构，基于二维序列的描述(二维序列主要指SP等对模块位 置的表示模式)和CBA都面临一个大大扩展的解空间，所述扩展的解空间加大了三维布局 问题的复杂性，进而降低了算法执行效率，甚至会影响解质量。另外，在布图规划/布局阶 段，将使用数值热模型计算最高温度和热梯度的过程归并到模拟退火过程中是非常耗时 的，致使算法执行效率大大降低。在三维设计中，为了同时达到热量散逸较优以及算法执行效率较高的效果，清华 大学李卓远等人率先提出了一种应用于两层结构芯片布局中的两阶段热导向布图规划/ 布局算法(参见文献[2])。该算法具体为通过一种划分算法将器件分配到不同的器件层 上，以缩小由于多器件层结构引起扩展的解空间；在模拟退火过程中，两个器件层的布局会 同时产生，该布局过程由一个功率密度图约束以便优化器件的分布。结果显示该方法的执 行效率比CBA-T平均快9倍，而且总线长减少14%，平均最高温度降低6%，因而能实现热 量散逸较优以及算法执行效率较高的目的。然而，由于功率密度图仅仅考虑某个器件层的理想功率分布，没有考虑器件层之 间的热源影响，因此在布图规划/布局时会出现高功率密度器件放在一个堆的垂直区域 内。通过试验，Grek Link说明了器件层之间高功率密度器件相互堆叠极度影响热量散逸。 相互堆叠区域功率密度大，并产生相对其他区域较高的温度(参见文献[3])。
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因此，有必要提供一种改进的布图规划/布局方法来克服现有技术的缺陷。上述提到的相关文献[1]Alsarawi, S. F.，Abbott，D.，and Franzon, P. D. A review of 3-Dpackaging technology. IEEE Trans. Compon. Packag. Manufact. Tech. 1998. Part B 21,1 (Jan.), 214.[2] Zhuoyuan Li，Xianlong Hong, et. al. Effic i ent thermal via ρlanningapproach and its application in 3D floorplanning. ACM Transactions onDesign Automation of Electronic Systems,Vol. 11,No. 2,April 2006，Pages325 345.[3]G. M. Link and N. Vijaykrishnan. Thermal Trends in EmergingTechnologies.Proceedings of the 7th International Symposium on QualityElectronic Design (ISQED，06).本发明的目的是提供一种层次式热驱动的布图规划及布局方法，不仅考虑单独器 件层的理想功率分布，而且考虑器件层之间的热源影响，能避免高功率密度器件放在一个 堆的垂直区域内。为了实现上述目的，本发明提供了一种层次式热驱动的布图规划及布局方法，包 括如下步骤(1)将多个模块按照功率的大小顺序进行排列，形成模块序列；(2)将所述模块序列从前至后按照面积和进行分组，分成面积和大致相等的多个 模块层组；(3)建立计算模块组的平均温度的解析热模型；(4)获取每个模块组的功率分布约束图使用开源Hotspot 4. O网格模型计算在 待布局模块组之前已布局完的所有低模块组引起的待布局模块组的温度增量TlOTCTlayCT，根 据所述解析热模型中模块组的平均温度T、待布局模块组的温度增量TlMCTlayCT及工作环境 温度Tamb计算待布局模块组的温度增益值Δ Τ，计算公式为Δ T = T-Tlowerlayer-Tamb ；根据待 布局模块组的温度增益值Δ Τ、功率密度q和等效圆半径a、以及导热系数k计算待布局模
…、k^T
块组的温度增益系数θ (a, r)，计算公式为々(《，〃)=——；将半径a、导热系数k、温度增益
qa
值ΔΤ以及圆周率的乘积定为一常数K，根据待布局模块组的温度增益系数θ (a,r)和功率 P、以及常数K确定待布局模块组的功率分布约束矩阵，求解该矩阵得到功率分布约束图；(5)将所有模块组按照功率密度和从大到小的顺序，根据各自的功率分布约束图 依次布局在底层散热装置的上方。在本发明的一个实施例中，所述步骤(3)具体为模块组i的温度1\、模块组i与下一模块组(i_l)之间的有效热阻氏、模块组k中 所有模块的总功率pk、以及模块组i的面积A1Ai计算模块组的平均温度T，得到解析热模与现有技术相比，本发明层次式热驱动的布图规划及布局方法具有如下优点第一，本方法先将模块进行分组，再对每组模块进行组内布局，这样，一方面三维
发明内容布局问题被转变成解决二维布局问题，解决了三维集成电路设计中出现的解空间加大、设 计复杂度增加的关键性问题，取得了较快的收敛速度，另一方面考虑了垂直和水平方向的 功率密度分布影响，避免垂直区域内功率密度大以及相对其他区域温度高的问题，能均衡 垂直和水平方向的功率密度分布，进而消除顶层易出现的热点，能够明显降低芯片最高温 度；再一方面与最新的热驱动布图工具Hotspot Floorplan相比，芯片峰值温度降低3%， 计算速度提高300倍。第二，本方法中的目标函数通过模拟退火来实现，优化了三维芯片的面积和互连 线长度。第三，本方法不直接将最小化最高温度作为目标，而是先根据统计方法得出平稳 温度分布，再根据平稳温度分布得出功率约束分布图，利用功率约束分布图指导层内模块 布局，实现热优化，这避免了繁琐的重复热计算过程，计算执行时间短(本方法与现有技术 中两阶段热导向布图规划/布局算法计算执行时间相同)，同时热优化布局效果好。通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明 的实施例。
图1为本发明层次式热驱动的布图规划及布局方法的流程图。
具体实施例方式现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。参考图1，本发明层次式热驱动的布图规划及布局方法包括如下步骤步骤Si，将多个模块按照功率的大小顺序进行排列，形成模块序列；步骤S2，将模块序列从前至后按照面积和进行分组，分成面积和大致相等的四个 模块层组，这样功率密度和最大的模块会聚集在同一组；步骤S3，建立计算模块组的平均温度的解析热模型；步骤S4，获取每个模块组的功率分布约束图；步骤S5，将所有模块组按照功率密度和从大到小的顺序，根据各自的功率分布约 束图依次布局在底层散热装置的上方(此时，功率密度和最大的模块组最靠近底层散热装置)。其中，步骤Sl和步骤S2中用功率密度聚类的方法能保证全局范围内的功率密度 均衡分布。需要说明的是，上述步骤S2中分成四组模块层组仅为举例，可以理解本发明也能 分成三组，或多于四组。下面具体说明步骤S3。解析热模型是计算模块组的平均温度的计算公式。假设一个布局区域面积为A1 的二维芯片被分割为η个面积相等的模块组，则每个模块组的面积是A1Ai,那么解析热模型 为
权利要求
1.一种层次式热驱动的布图规划及布局方法，包括如下步骤(1)将多个模块按照功率的大小顺序进行排列，形成模块序列；(2)将所述模块序列从前至后按照面积和进行分组，分成面积和大致相等的多个模块层组；(3)建立计算模块组的平均温度的解析热模型；(4)获取每个模块组的功率分布约束图使用开源Hotspot4.0网格模型计算在待布 局模块组之前已布局完的所有低模块组引起的待布局模块组的温度增量TlOTCTlayCT，根据所 述解析热模型中模块组的平均温度T、待布局模块组的温度增量TlOTCTlayCT及工作环境温度 Tamb计算待布局模块组的温度增益值Δ Τ，计算公式为Δ T = T-Tlowerlayer-Tamb ；根据待布局 模块组的温度增益值Δ Τ、功率密度q和等效圆半径a、以及导热系数k计算待布局模块组…、k^T的温度增益系数θ (a，r)，计算公式为
2.如权利要求1所述的层次式热驱动的布图规划及布局方法，其特征在于，所述步骤 ⑶具体为模块组i的温度1\、模块组i与下一模块组(i-Ι)之间的有效热阻氏、模块组k中所有 模块的总功率Pk、以及模块组i的面积A1Ai计算模块组的平均温度T，得到解析热模型，计 算公式为
全文摘要
本发明公开了一种层次式热驱动的布图规划及布局方法，包括(1)将多个模块按照功率的大小顺序进行排列，形成模块序列；(2)将所述模块序列从前至后按照面积和进行分组，分成面积和大致相等的多个模块层组；(3)建立计算模块组的平均温度的解析热模型；(4)获取每个模块组的功率分布约束图；(5)将所有模块组按照功率密度和从大到小的顺序，根据各自的功率分布约束图依次布局在底层散热装置的上方。本方法将三维布局问题转变成二维布局问题，能避免高功率密度器件放在一个堆的垂直区域内，实现垂直和水平方向的功率密度均衡分布，有效减少了热点数量，优化了芯片面积和互连线长度。
文档编号G06F17/50GK102063543SQ201110000448
公开日2011年5月18日 申请日期2011年1月4日 优先权日2011年1月4日
发明者徐宁, 程平阶, 郑飞 申请人:武汉理工大学