用于芯片热分析的混合随机行走方法

用于芯片热分析的混合随机行走方法
【专利摘要】一种用于芯片热分析的混合随机行走方法，该方法运用于计算机中，该方法包括：（a）建立针对芯片系统特征的悬浮随机行走转移区域终点位置编号数组，并将所建立的终点位置编号数组保存至计算机的硬盘；（b）读取上述建立的终点位置编号数组至计算机的内存；（c）对于芯片系统中需计算温度的位置点，采用网格随机行走过程与悬浮随机行走过程相结合的混合随机行走方法计算该位置点的温度；（d）若还有所需计算的位置点的温度没有计算，则返回步骤（c），直到有所需计算的位置点的温度全部计算完毕。利用本发明提高了对芯片进行热分析的计算速度。
【专利说明】用于芯片热分析的混合随机行走方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于芯片热分析的混合随机行走方法。
【背景技术】
[0002]随着集成电路的发展，集成电路中包含的器件越来越多，单位面积上的功耗呈现增大的趋势。因此，集成电路的发热问题日益突出，为了不影响电路正常工作及其可靠性，需要配备有效的散热部件，它们共同构成一个热传导系统。
[0003]在集成电路设计过程中，为了保证最终生产出的芯片能正常工作、以及应具备的性能，需要对集成电路进行热分析(热仿真)，即计算其在各种工作模式(对应各种电路模块的功率分布情况)下的最高温度。这需要算出芯片上的温度分布、或者某些热位置点位置(可能出现最高温度的位置)上的温度。根据这些温度信息可以进一步分析电路性能，并验证其是否满足设计要求。为了进行准确的芯片热分析，有必要考虑热扩散器、散热片等散热部件的影响，因此在热分析中处理的是包括它们与芯片的整体系统。有研究表明，如果不考虑散热部件、或对其几何形状进行近似简化，对芯片进行热分析的结果可能造成超过十摄氏度的误差。
[0004]由于散热片等部件的尺寸远大于集成电路芯片尺寸，使得进行芯片系统的整体热分析需要很长的计算时间。在2012年发表于ACM Transactions on Design Automationof Electronic Systems 的文献“Fast Poisson solvers for thermal analysis，，中，提出了一种考虑实际的金字塔型芯片系统的FPS-PCG热分析方法。该方法对整个区域进行体积元离散，然后根据任意相邻两个小元之间的热电阻联立形成热电路方程，采用一种预条件的共轭梯度法求解该线性方程组。其中，预条件矩阵为一个近似实际金字塔型结构的长方体结构对应的热电路方程系数矩阵，由于求解长方体结构区域时可以使用快速泊松求解器(FPS)，而这种预条件矩阵是原系数矩阵的很好近似，该FPS-PCG方法能很快收敛，比直接求解热电路方程的方法有低得多的计算复杂度。
[0005]为了减少计算量，有时只计算少量热位置点位置(可能经验选取的，例如芯片上热源区域的某些位置)的温度。这时采用一种随机行走方法比较有效，该方法将求解整个芯片系统的热方程转化为一个热电阻网络，然后在该热电阻网络上使用基于网格随机行走方法。具体的方法细节可参考2005年发表在国际期刊IEEE Transactions onComputer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems 上的论文“Power gridanalysis using random walks”,或2010年发表在《计算机辅助设计与图形学学报》上的论文“随机行走算法在IC芯片热分析中的应用”。
[0006]悬浮随机行走方法是不同于网格随机行走方法的另一种随机行走方法，它的每次随机行走跳转并不局限于相邻网格位置点，而是使用一种可放缩的空间转移区域，从转移区域中心位置点跳到转移区域边界上的某位置点。悬浮随机行走已成功用于三维互连线的电容计算问题，具体细节可参考 申请人:2013年在国际期刊IEEE Transactionson Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems 上发表的论文uRffCap:A floating random walk solver for3-D capacitance extraction of VLSIinterconnects^但是，由于悬浮随机行走方法不便于处理芯片上的热源区域，目前还没有将悬浮随机行走方法用于芯片热分析的工作。
[0007]无论是采用网格随机行走方法还是悬浮随机行走方法，在对芯片进行热分析时计算速度比较缓慢(即计算芯片中某一位置点的温度的时间过长)，这导致进行集成电路设计时需要等待过长的时间才能得热分析结果，增大了集成电路的设计周期，对集成电路产品的上市时间、成本、性能造成很不好的影响。

【发明内容】

[0008]鉴于以上内容，有必要提供一种快速的芯片热分析方法，提高对芯片进行热分析的计算速度，缩短集成电路芯片的设计时间。
[0009]一种用于芯片热分析的混合随机行走方法，该方法运用于计算机中，该方法包括:(a)建立针对芯片系统特征的悬浮随机行走转移区域终点位置编号数组，并将所建立的终点位置编号数组保存至计算机的硬盘；(b)读取上述建立的终点位置编号数组至计算机的内存；(C)对于芯片系统中需计算温度的位置点，采用网格随机行走过程与悬浮随机行走过程相结合的混合随机行走方法计算该位置点的温度；(d)若还有所需计算的位置点的温度没有计算，则返回步骤(C)，直到有所需计算的位置点的温度全部计算完毕。
[0010]相较于现有技术，本发明提供的混合随机行走热分析方法，提高了对芯片进行热分析的计算 速度。
【专利附图】

【附图说明】
[0011]图1是本发明用于芯片热分析的计算机系统的硬件框架图。
[0012]图2是本发明芯片系统的俯视图。
[0013]图3是本发明芯片系统的侧视图。
[0014]图4是本发明用于芯片热分析的混合随机行走方法较佳实施例的流程图。
[0015]图5是本发明图4步骤SlO中建立针对芯片系统特征的悬浮随机行走转移区域终点位置编号数组的细化流程图。
[0016]图6是本发明图4步骤S30中采用网格随机行走过程与悬浮随机行走过程相结合的混合随机行走方法计算该位置点的温度的细化流程图。
[0017]图7是本发明芯片系统中划分的网格随机行走区域、悬浮随机行走区域及悬浮随机行走转移区域的示意图。
[0018]图8是本发明网格划分的示意图。
[0019]图9是本发明一种热电阻网络的示意图。
[0020]图10是本发明另一种热电阻网络的示意图。
[0021]图11是本发明一次网格随机行走跳转的示意图。
[0022]主要元件符号说明
[0023]
【权利要求】
1.一种用于芯片热分析的混合随机行走方法，该方法运用于计算机中，其特征在于，该方法包括: (a)建立针对芯片系统特征的悬浮随机行走转移区域终点位置编号数组，并将所建立的终点位置编号数组保存至计算机的硬盘； (b)读取上述建立的终点位置编号数组至计算机的内存； (C)对于芯片系统中需计算温度的位置点，根据上述建立的终点位置编号数组，采用网格随机行走过程与悬浮随机行走过程相结合的混合随机行走方法计算该位置点的温度；(d)若还有所需计算的位置点的温度没有计算，则返回步骤(C)，直到有所需计算的位置点的温度全部计算完毕。
2.如权利要求1所述的用于芯片热分析的混合随机行走方法，其特征在于，所述建立针对芯片系统特征的悬浮随机行走转移区域终点位置编号数组的具体步骤如下: 获取芯片系统热源区域以外区域的热导率信息； 构造热导率均匀的悬浮随机行走转移区域，并通过网格随机行走方法得到该悬浮随机行走转移区域的第一类终点位置编号数组；及 构造热导率不均匀的悬浮随机行走转移区域，并通过网格随机行走方法得到该悬浮随机行走转移区域的第二类终点位置编号数组。
3.如权利要求2所述的用于芯片热分析的混合随机行走方法，其特征在于，所述构造热导率均匀的悬浮随机行走转移区域，并通过网格随机行走方法得到该悬浮随机行走转移区域的第一类终点位置编号数组的具体步骤如下: 构造一个长宽高分别为aXaX 1、且含均匀热导率材料的长方体转移区域； 对其设置预设的有限差分网格，并得到对应的热电阻网络；及从长方体转移区域中心位置点开始执行M次网格随机行走方法，每次网格随机行走方法按照到达长方体转移区域表面作为结束标志，记录执行这M次网格随机行走方法的终点位置信息，即终点二维网格的编号，形成数组长度为M的第一类终点位置编号数组。
4.如权利要求2所述的用于芯片热分析的混合随机行走方法，其特征在于，所述构造热导率不均匀的悬浮随机行走转移区域，并通过网格随机行走方法得到该悬浮随机行走转移区域的第二类终点位置编号数组的具体步骤如下: 对每个不同热导率区域的交界面，构造一个长宽高分别为aXaX 1、且上下两半的热导率分别为h和k2的长方体转移区域； 对其设置预设的有限差分网格，并得到对应的热电阻网络 '及从长方体转移区域中心位置点开始执行M次网格随机行走方法，每次网格随机行走按照到达长方体转移区域表面作为结束标志，记录执行这M次网格随机行走方法的终点位置信息，即终点二维网格的编号，形成数组长度为M的第二类终点位置编号数组。
5.如权利要求1所述的用于芯片热分析的混合随机行走方法，其特征在于，所述步骤(C)中采用网格随机行走过程与悬浮随机行走过程相结合的混合随机行走方法计算该位置点的温度的具体步骤如下: (5.1)获取芯片系统中各个部件的几何信息、热导率信息、芯片上热源区域的分布情况以及所需计算的位置点的坐标； (5.2)在芯片系统中建立网格随机行走区域及悬浮随机行走区域；(5.3)从计算机的内存调用终点位置编号数组； (5.4)初始化当前随机行走路径的编号npath为零，建立一个浮点数数组T，T将用于存储随机行走路径的温度估计值； (5.5)初始化当前随机行走路径的温度估计值T[npath]为零,及初始化当前点pt的坐标为所需计算点的坐标； (5.6)若当前位置点pt处于网格随机行走区域，该当前位置点对应网格编号为j，若Pt还在热源区域，更新当前随机行走路径的温度估计值T[npath] =T[npath]+reward(j),并根据与该网格位置点连接的热电阻，进行一次网格随机行走跳转，更新当前位置点Pt的位置，若当前位置点Pt处于悬浮随机行走区域内，构造长和宽都是高的a倍的转移长方体区域，且使该转移长方体区域由均匀材料或者上下各一半的两种材料构成，使用相应的终点位置编号数组实现从当前位置点到转移长方体区域表面的悬浮随机跳转，更新当前位置点Pt的位置; (5.7)若当前点pt处于温度已知为TO的外边界点，则表明当前随机行走路径结束，则更新当前随机行走路径的温度估计值T [npath] =T [npath] +TO、更新当前随机行走路径编号即&访=即&访+1，之后流程进入步骤(5.8)，否则，若当前随机行走路径没有结束，流程返回步骤(5.6)； (5.8)根据浮点数数组T中的Τ[0]，Τ[1]，...，T[npath-1]评估是否满足随机行走过程停止的条件，若满足随机行走过程停止的条件，流程进入步骤(5.9)，否则，若得到的随机行走路径温度估计值不满足随机行走过程停止的条件，流程返回步骤(5.5);及 (5.9)根据所有随机行走路径的温度估计值得到所需计算的位置点的温度。
6.如权利要求5述的用于芯片热分析的混合随机行走方法，其特征在于，所述在芯片系统上建立网格随机行走区域的具体步骤如下: 将芯片的热源区域沿上下两方向扩展一定尺寸，得到网格随机行走区域，然后对该网格随机行走区域进行离散网格划分，并得到等效的热电阻网络。
7.如权利要求5所述的用于芯片热分析的混合随机行走方法，其特征在于，所述悬浮随机行走跳转的具体步骤如下: 生成一个O~I之间的均匀分布随机数r，将随机数r乘以M并取整得到O~M之间的随机整数k，然后根据当前转移区域对应的终点位置编号数组DP，得到经过该次跳转后当前位置点所在的表面网格的编号为DP[k]，根据当前转移区域的几何位置及DP[k]算出新的当前位置点Pt的位置。
【文档编号】G06F17/50GK103793561SQ201410023878
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月18日 优先权日:2014年1月18日
【发明者】喻文健, 梁缘 申请人:清华大学