（电气工程专业论文）soc设计优化的域特定语言方法和建模.pdf

设计了一种与t b p m 方法配合使用的离散粒子群算法来自动优化架构级性能参数、 探索架构设计的解空间。通过扩充p m l 语法，允许设计者指定优化目标、定义参数取值 范围、指明相应的设计代价。算法通过自动构造性能模型并通过周期精确的仿真得出各性 能目标的实际值，并结合模糊逻辑按照设计者的偏好和决策权重找出优化的架构设计方 案。p m l 作为问题描述的过渡层，分离了性能模型、性能目标和优化算法三个部分，从 而把各个部分模块化，便入引入更多优化算实现。在粒子群优化算法中采用互补振荡参数 控制方式，能使算法在架构参数优化问题中快速逼近优化解，缩短解空间探查时间。结合 o w a 算子的可行解综合考量，把高维度向量的p a r e t o 排序简化为标量排序，极大地简化 了算法的复杂度，并且有效地结合了设计者的决策权重，让设计者可自由地调节优化倾 向，找出不同性质的优化解。基于数据库管理系统和群集运算环境的粒子算法实现，很好 地处理了各个程序组件之间的异步通信问题，也能够根据部署环境，充分利用运算资源， 具有良好的环境适应性。 以上所有研究工作均在多个实际芯片开发项目中得到应用和验证，并证明能有效地提 高芯片设计中各个环节的工作效率和工作品质，从而为整个s o c 项目注入强大动力。 关键字：超大规模集成电路设计，s o c 设计，优化设计，语法语言，建立模型，设计复用 方法学，硬件描述语言，智能参数优化 i v a b s t r a c t c a p a b i l i t i e si nd i g i t a lv l s if r o n t e n dd e s i g nt e c h n o l o g i e sa r en o ts u f f i c i e n ta n df l e x i b l e e n o u g hw h e ni ci n d u s t r ye n t e r si n t os o ce r a b ya d o p t i n gd o m a i n s p e c i f i ca n a l y s i s ，a n df a c i l i t a t i n gc o m p i l e rt e c h o n o l g y ，x m l ，f u z z yl o g i ca n dm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n , t h i sp a p e rc a r f l e do u tas e r i e so fr e s e a r c h e so nk e yt e c h n o l o g i e si ns o cd e s i g no p t i m i z a t i o n f o l l o w i n gr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sw e r ea c c o m p l i s h e d ：， ad o m a i ns p e c i f i cl a n g u a g en a m e dm e t a h d lw a sd e s i g na n di m p l e m e n t e df o rp a r a m e t e - r i z a b l ec o n f i g u r a b l er t ld e s i g n ，r a n g i n gf r o ml o g i co r i e n t e di pd e s i g nt oi pb a s e ds o cd e s i g n m e t a h d lh a sa2 - l e v e lc o d ec o n f i g u r a t i o ns y s t e mc o n s i s t i n go fa u t o m a t i cp a r a m e t e r i z a t i o na n d c o m p r e h e n s i v ep r e p r o c e s s o r , w h i c hh e l p sd e s i g n e r sc r e a t er e u s a b l ed e s i g ne f f i c i e n t l ya n d a c h i e v e s2 0 一9 0 c o d er e d u c t i o n m e t a h d ls y n t a xw a ss p e c i f i c a l l yo p t i m i z e df o rr e u s a b l e r t ld e s i g nt oi m p r o v ec o d er e a d a b i l i t ya n de x p r e s s i v e n e s s b u i l t i ns t a t i cc o d ec h e c km e c h a n - i s mg u a r a n t e e st h eq u a l i t yo fu l t i m a t eg e n e r a t e ds y s t e m v e r i l o g ，r e d u c e st h ee x p e r t i s en e e d e df o r r t l d e s i g n ，a n di m p r o v e st h eo v e r a l lw o r kq u a l i t ya n dc o m p e t i t i v e n e s so f t e a m a f i n e g r a i n e dd e s i g nr e u s em e t h o d o l o g yn a m e df g r x w a s p r o p o s e da n da nx m l s c h e m a b a s e di m p l e m e n t a t i o nw a s g i v e n i tp r o v i d e sr e l i a b l es o l u t i o nf o rh e a v yw e i g h t e ds o cr e u s es e e - n a r i oa n dp l a t f o r m - b a s e ds o cd e s i g ns c e n a r i o f g r xe x t e n d st h et r a d i t i o n a lm e t h o d o l o g yb y e n l a r g i n gt h ec a t e g o r i e so fr e u s a b l eo b j e c t i te n c a p s u l a t e sr e d u n d a n tc o d e sb yu s et r a n s l a t i o n e r u l e s ，a n de f f i c i e n t l yh e l p sm a n a g ee n t i r er e u s ep r o j e c tb ya u t o m a t i c a l l ys y n c h r o n i z i n gc o n t e n t s o f d i f f e r e n tf i l e s f g r x sa c c u m u l a t i v ed e s i g ns t y l ec a l la c h i e v e1 0 2t o1 0 3t i m e so f c o d er e d u c - t i o n ，a n dt h i sp e r f o r m a n c ed o e sn o tc h a n g ew h e ng r a n u l a r i t yo rn u m b e ro fr e u s a b l eo b j e c t s c h a n g e s at r a n s a c t i o nd a t af l o wb a s e da r c h i t e c t u r el e v e lp e r f o r m a n c em o d e l i n gm e t h o d o l o g yn a m e d t b p mw a sp r o p o s e d i tu s e sd i r e c t e da c y c l i cg r a p ht or e p r e s e n tc o m p l e xs y s t e m t b p mw a si m p l e m e n t e dv i aal a n g u a g en a m e dp m l c r e a t i n gs y s t e mp e r f o r m a n c em o d e lb yp m lc a ne l i m i - n a t et h ec o m p l e x i t yo fl o g i cd e s c r i p t i o na n df l e x i b l ym a n i p u l a t ea l lc r i t i c a le l e m e n t si nm o d e l ， w h i c he n a b l e sd e s i g n e r sq u i c k l yv a l i d a t es e v e r a ls o l u t i o n si ns y s t e md i v i d i n gs t a g e ，a n dq u a n t a - t i v e l ya s s e s sa r c h i t e c t u r ed e s i g nv i ad a t ag o tf r o mc y c l ea c c u r a t es i m u l a t i o n v d e s i g n e da n di m p l e m e n t e dad e s c r e t ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mf o rc o o p e r a - t i o nw i t ht b p mt oa u t o m a t i c a l l yo p t i m i z ea r c h i t e c t u r el e v e lp e r f o r m a n c ep a r a m e t e rs e t t i n ga n d e x p l o r ea r c h i t e c t u r ed e s i g ns p a c e p m lw a se x t e n d e dt os u p p o r to p t i m i z a t i o ng o a ls p e c i f i c a t i o n ， p a r a m e t e rr a n g e sd e f i n i t i o n ，a n dd e s i g nc o s t ss p e c i f i c a t i o n a l g o r i t h mg e n e r a t e sp e r f o r m a n c e m o d e la n dr u n ss i m u l a t i o no np e r f o r m a n c em o d e la u t o m a t i c a l l yt og e ta c t u a l l yv a l u eo fe v e r y p e r f o r m a n c eg o a l ，w h i c hi sf u r t h e rs y n t h e s i z e dv i af u z z yl o g i ca c c o r d i n gt od e s i g n e r s p r e f e r e n c e a n dd e s i s s i o nw e i g h t st of m do u tb e s tf i ts o l u t i o n s a sag l u el a y e ro fp r o b l e md e s c r i p t i o n ，p m l s e p a r a t e dp e r f o r m a n c em o d e l ，p e r f o r m a n c eg o a l ，a n do p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，w h i c hm o d u l i z e s e a c hp a r ta n dm a k e si tp o s s i b l et oa d dm o r eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m s i n t r o d u c e dac o m p l e m e n t a r yo s s i l c a t i n gp a r a m e t e rc o n t r o lm e c h a n i s mt h a tc a nd r i v ea l lp a r t i c l e sq u i c k l ya p p r o a c ht oo p t i m i z e ds o l u t i o n si nt h i sp r o b l e m u s e do w a o p e r a t o rt os y n t h e s i z eh i g hd i m e n t i o n a lg o a lv a l u e v e c t o ri n t os c a l a rv a l u e ，w h i c ht u r n sh i g hd i m e n t i o n a lv e c t o rp a r e t os o r t i n gi n t os i m p l es c a l a r v a l u es o r t i n g ，a n dd r a m a t i c a l l yr e d u c e sc o m p u t a t i o nc o m p l e x i t y d a t a b a s ea n dc l u s t e rb a s e da l g o r i t h mi m p l e m e n t a t i o np r o v i d e sar o b u s ta s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s ma m o n gd i f - f e r e n tc o m p o n e n t s ，f u l l yf a c i l i t a t e sa v a i l a b l ec o m p u t a t i o nr e s o u r c e s ，a n dd e m o n s t r a t e sg o o d c o m p l i a n c ei nd i f f e r e n c ed e p l o y m e n te n v i r o n m e n t s a l lr e s e a r c hw o r k sw e r eu s e di ns e v e r lr e a lc h i pd e v e l o p m e n tp r o j e c t sf o rv a l i d a t i o n ，a n d p r o v e nt ob ev e r ye f f e c t i v ei ne f f i c i e n c ya n dq u a l i t yi m p r o v e m e n ti ns o cd e s i g n v i 插图和附表清单 图1 1 不同领域芯片晶体管数增长曲线3 图2 1m u x 结构图1 0 图2 2i f - e l s e 风格的m u x 描述代码11 图2 3 带优先译码器的m u x 电路原理图1 1 图2 4c a s e 风格的m u x 描述代码。1 2 图2 5 简化了译码电路的m u x 电路原理图。1 2 图2 6 利用注释指引综合器优化的m u x 代码。1 3 图2 7 简化了译码电路并消除优先级的m u x 电路原理图。1 4 图2 8v e r i l o g 源代码中声明和互连语句比重分布图1 6 图2 9r t l 描述实体层次结构18 图2 1 0m e t a h d l 语言自动化功能层次图1 9 图2 11m e t a h d l 语言二级代码配置体系2 0 图2 1 2m e t a h d l 源码模块p a r a 内的参数定义及使用2 1 图2 1 3 生成的s y s t e m v e r i i o g 格式的p a r a 模块定义2 1 图2 1 4m e t a h d l 源码对p a r a 进行参数化例化2 2 图2 15 生成的s y s t e m v e r i l o g 参数化模块2 3 图2 16 可配置仲裁器元编程代码示例2 4 图2 17 配置4 个请求源的仲裁器s y s t e m v e r i l o g 代码2 7 图2 18 内层模块m o d a 的m e m h d l 源代码2 9 图2 19 内层模块m o d a 的s y s t e m v e r i l o g 源代码。3 0 图2 2 0 外层模块t o p 的m e t a h d l 源代码。3 0 图2 2 1 外层模块t o p 的s y s t e m v e r i l o g 源代码3 3 图2 2 2m e t a h d l 按名称传递参数。3 3 图2 2 3 生成的s y s t e m v e r i l o g 格式的模块参数传递3 3 图2 2 4s y s t e m v e r i i o g 表达式c 制 趋层次结构图。3 6 图2 2 5 基于m e t a h d l 语言的r t l 设计流程3 8 图3 1 典型c r m 结构框图4 8 图3 2 单个c s r 的m u x 加触发器结构4 9 图3 3 单个c s r 实现r t l 代码。4 9 图3 4c s r 位拼接形成l w 的r t l 代码5 0 图3 5 单个c s r 原语级功能描述伪代码5l 图3 6c r m 对应的a m d t 5 3 图3 7c r m 原语级描述代码片段5 5 图3 8 生成的r t l 代码片段5 7 图3 9u t m ：苍= 片结构框图5 9 图3 10u t ma m d t 结构图。6 1 图4 1 典型的队列网络6 6 x 图4 2 典型的d m a 工作模式下的d f g 6 8 图4 3 抽象计算模型6 9 图4 4 在多个t d f 上指定仲裁算法7 0 图4 5 以随机功能选取与条件选取7 2 图4 6p m l 实现架构7 6 图4 7 事务数据流描述核心类层次结构图7 7 图4 8 逻辑锥执行流程一7 7 图4 9 存在s o u r c e 共享的t d f 7 8 图4 1 0d m a 建模仿真结果中的实际d a g 截图。8 l 图4 11d m a 建模仿真结果曲线8 2 图5 1 算法实现结构框图9 3 图5 2 算法集群执行环境拓扑结构。9 6 图5 3 四种归一化方法下样本的综合满意度9 8 图5 4 用于控制算法参数的互补振荡过程9 9 图5 5 不同参数时算法逼近p a r e t o 最优解的过程1 0 0 图5 6 不同参数设置下的前5 0 轮优化结果1 0 1 表1 1d s l 在软件工程中的应用总结6 表3 1c s r 硬件操作模型一5 l 表3 2c s r 软件操作模型51 表3 3 功能操作组合规则( 复用规则集) 5 2 表5 111 种o w a 算子的权重分配方案9 8 x i v n 矿( 七0 ) a m d t a s i c b n f c a d c p u c i u c s r 缩写、符号清单、术语表 多目标优化问题中解空间的维度 在d 维解空间中的一个可行解 可行解第f 个维度上目标的满意度 第f 个目标在决策中的权重 把d 维满意度向量归一化后得到的综合满意度标量 隶属度函数，把各种不同类型的带量纲的性能目标的实际值归一化为 0 1 1 中的无量纲常数。 隶属度函数，把各种不同类开的带量纲的设计代价的实际值归一化为 f 0 ，1 1 中的无量纲常数。 表征o w a 算子中模糊o r 逻辑分量的数值 表征o w a 算子中模糊a n d 逻辑分量的数值 结合考虑了决策权重后的第f 个维度上的目标满意度 粒子群算法中控制粒子飞行的惯性权重 粒子群算法中控制粒子飞行的加速常数 粒子群算法中控制粒子飞行的加速常数 粒子群算法的迭代轮数 控制彩和厶作互补振荡的平移常数，调节k = l 时国和c ，的值。 控制缈和c ，互补振荡时的放大常数，与，一起控制振荡的强度和波形覆 盖的迭代轮数。 控制彩和c ，互补振荡时的放大常数，与一起控制振荡的强度和波形覆 盖的迭代轮数。 考量粒子群算法性能的函数，该函数计算了轮迭代中出现的最大的综 合满意度值。 a b s t r a c tm o d u l ed e s c r i p t i o nt r e e 抽象模块描述树，f g r x 方法中的概念 a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s 专用集成电路。 b a c k u s n a u rf o r m 巴克斯诺尔范式，用于描述上下文无关文法。 c o m p u t e ra i d e dd e s i g n 计算机辅助设计 c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t 中央处理器 c o n f i g u r a t i o nr e g i s t e rm o d u l e 配置寄存器模块，是s o c 或a s i c 中的基 本模块，用于传递软件的命令或向软件返回硬件状态。 ， c o n t r o l s t a t u sr e g i s t e r 控制状态寄存器 x i i i 二 d x q 屈万 一砌彩 q乞女g矽 d a g d b m s d m a d o t d r o d s e d s l d t l e d a f f f g r x f p g a f s m g p l g p u h d l h d v l h v l i c i d i n s t a m d t p m e t a h d l o d b c d i r e c t e da c y c l i cg r a p h 有向无环图，图论中的概念。 d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m 数据库管理系统 d i r e c tm e m o r ya c c e s s 直接内存访问，是一种用于外设与主机之间通信 的高速内存访问模式。 是一种用于保存图( g r a p h ) 结构的纯文本格式，作为第三方软件的输 入，可以生成各种格式的图形文件( 比如j p e g 、p n g 、p d f 等) ，从 而可视化呈现图的拓扑结构。 d y n a m i cr e u s a b l eo b j e c t 动态可复用对象，f g r x 方法中的概念。 d e s i g ns p a c ee x p l o r a t i o n 设计空间探查，影响设计的多个因素构成一个 多维空间，d s e 指以某种方式搜索这个空间，以找到符合要求的设计。 d o m a i n s p e c i f i cl a n g u a g e 域特定语言 d a t a b a s et e m p l a t el i b r a r y 数据库泛型程序库，是一个由c + + 实现的泛 型库，以类似于s t l 的方式简化了o d b c 接口调用。 e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n 电子设计自动化 f l i p f l o p 触发器，数字逻辑设计中的基本元件。 f i n e - g r a i n e dr e u s a b l ed e s i g nm e t h o d o l o g yb a s e do nx m ls c h e m a 基于 x m ls c h e m a 的细粒度可复用设计方法学，是本文提出的一种基于设计 复用的芯片设计方法学。 f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 现场可编程门阵列 f i n i t es t a t em a c h i n e 有限状态机，数字集成电路设计中的基本控制结 构。 g e n e r a lp u r p o s el a n g u a g e 通用语言，对应d s l ，泛指能应对绝大多数 软件编程要求的计算机程序语言。 g r a p h i cp r o c e s su n i t 图形处理器，是一种为图形处理专门设计的处理 器，著名的厂商有n v i d i a 和a 仍。 h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e 硬件描述语言 h a r d w a r ed e s c r i p t i o na n dv e r i f i c a t i o nl a n g u a g e 硬件设计验证语言 h a r d w a r ev e r i f i c a t i o nl a n g u a g e 硬件验证语言 i n t e g r a t e dc i r c u i t s 集成电路 i d e n t i f i e r 标识符 a m d t 的一个实例，是f g r x 中的概念。 i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y 硅知识产权，指以版图或代码实现的电路模块，可 被集成在其它芯片中，以实现设计重用。 本文研究过程中开发的一种用于可复用、可配置、参数化r t l 设计的 硬件描述语言。 o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y 开放数据库互连标准，定义了一系列标准 a p i 用于应用程序和d b m s 的互联。 x i v o w a p m l p r o g r a m m i n g m o d e l p s t r a n d o ml o g i c r e f r o s r r s r 死 s g e s o c s q l s r o s y s t e m c s y s t e m v e r i l o g t r p m t d f u r m v e r i l o g v h d l v l s i o r d e r e dw e i g h t e da v e r a g e 有序加权平均。 p e r f o r m a n c em o d e l i n gl a n g u a g e 性能建模语言，是本文研究过程中开发 的一种用于s o c 性能建模的编程语言。 编程模型，指从系统软件的角度，芯片所呈现出的各种特征，概括了芯 片可以执行和不可以执行的操作，以及必要的执行流程信息。软件对硬 件的操作必须遵循这个模型，否则无法最大程度地发挥硬件的性能，甚 至引起工作不正常甚至系统崩溃。 p o s ts i l i c o nt e s t i n g 芯片测试，指在流片完成后对芯片进行测试。 随机逻辑，指s o c 设计中除了以外的、少量的、用于粘合各个i p 的 逻辑代码。这种逻辑代码通常十分简单，只包含端口转换、数据拼接、 数据转发等功能，其总量在所有s o c 代码中基本可以忽略不计。 r e f e r e n c ed e s i g n 参考设计 r e u s a b l e o b j e c ts e t 可复用对象集合，f g r x 方法中的概念。 r e u s a b l er u l es e t 可复用规则集合，f g r x 方法中的概念。 r e g i s t e rt r a n s f e rl e v e l 寄存器传输级，是一种电路描述的抽象层次。 s u ng r i de n g i n e 由s u n 公司出品的集群运算控制系统，用于部署基于 l i n u x 平台的集群运算系统。 s y s t e m o n a - c h i p 片上系统，也称为系统芯片。 s t m c t i l r eq u e r yl a n g u a g e 结构化查询语言。 s t a t i cr e u s a b l e o b j e c t 静态可复用对象，f g r x 方法中的概念。 是一个c + + 泛型程序库，提供了简单的多线程管理机制和时序控制模 型，特别适合于硬件系统的建模，或者软硬件协同建模。 是在v e r i i o g 基础发展而来的h d v l ，包含了用于硬件描述和验证语法 结构，是v e r i l o g 的超集。 t r a n s a c t i o nd a t a f l o wd e s c r i p t i o nb a s e dp e r f o r m a n c em o d e l i n g 基于事务数 据流描述的系统性能分析建模，是本文提出的一种全新的s o c 性能建 模方法。 t r a n s a c t i o nd a t a f l o w 事务及其蕴含的数据流，是本文在研究性能建模主 题中提出的概念。 u n i f i e dt h r e a tm a n a g e m e n t 统一威胁管理，是安全领域的一个概念，指 用一个设备完成病毒扫描、入侵检测、访问控制等应用。 一种硬件描述语言 一种硬件描述语言 v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n 超大规模集电成电路。 致谢 光阴荏苒，转眼间我已在求是园度过了近十个春秋。从2 0 0 0 年夏天第一次步入钱塘 江畔的之江校区的那一刻起，我的一生就与浙江大学这所底蕴深厚的学府结下了永远的缘 系。严晓浪教授在我们刚开学不久，就专程到之江校区为电气工程学院的新生介绍超大规 模集成电路设计这个方向。正是从那时开始，我就渴望进入v l s i 研究所，渴望投身于这 个令人兴奋的前沿领域。2 0 0 4 年我正式成了v l s i 研究所的博士研究生，我更是切身地体 会到严老师严谨踏实、锐意进取的治学精神对研究所每位同学的感召力，能够在这样氛围 中学习和生活，实在是一种不可多得的人生经历。 我要特别感谢沈海斌博士，作为我的指导老师之一，他与我仔细讨论研究工作的每个 细节，对我严格要求，并且从理论和方法论上为我指点迷津。正是由于您的悉心指导，我 才能够完成四篇学术论文和学位论文。同时我也要感谢研究所的史峥教授、吴晓波教授、 何乐年教授、罗晓华博士、赵梦恋博士等等，你们都给予过我无尽的帮助，谢谢你们! 另外我要特别感谢王界兵博士、詹正中先生和许志翰先生，正是由于你们的帮助，我 才可以在贵公司的环境中完成我的博士论文研究，并在实际的芯片开发项目中得以应用。 在这个过程中，研究所的张宇宏、杨建、梁中书、凌群芳、王益波、潘国振等师兄也多次 给予我帮助和指导；沈东先生作为项目组的主管也不断地给我提供各种便利，在此一并表 示感谢! 最后，我要感谢我的家人，尤其是我的妻子，在我整个博士研究生阶段给予我的关 怀、照顾和包容，你们的鼓励，是我动力的源泉；我也会用我的努力为你们创造一生的幸 福，谢谢你们! 孟听2 0 1 0 年3 月1 4 日 于浙大求是园 浙江大学博士学位论文 第1 章引言 1 引言 经过近半个世纪的发展，v l s l l 产品已经渗透进军事、交通、建设、经济、通信、医 疗、娱乐、生活的方方面面，成为数字信息时代的重要组成部分。在i c 产品改变我们生 活的同时，v l s i 的设计技术也经历了多次变革。本章作为引言先在研究要点一节中概述 了作者的研究工作及其成果的理论和实际意义；然后在研究动机一节中讨论现有s o c 设计 方法的缺陷以及技术创新的必要性；再在研究方法一节中介绍了本文采用的主要方法其及 相应的研究现状。 1 1 研究要点 本文的研究工作是对s o c 前端设计环节中的关键技术作域特定的优化，从而显著地 提高设计者的工作效率和工作品质。具体的来说，我们把研究工作进一步分为以下四个方 向： 1 对设计描述技术的域特定优化。我们通过可综合r t l 设计的需求、日常使 用习惯、第三方h d l 分析工具对代码的检查过程、良好设计风格的巩固等 多方面因素的考查，对现有的v e r i l o g s y s t e m v e r i l o g 可综合语法子集提出了 语法和语义上的创新，提出了名为m e t a h d l 的语言，通过实现一个二级代 码配置体系，提供了一种高效实现可复用设计的方法，使m e t a h d l 更适用 于面向逻辑的p 设计和面向p 集成的s o c 设计，可以在保证设计质量的前 提下，精简6 0 以上的代码，大规模提高设计效率。 2 对可复用设计方法学的域特定优化。通过分析s o c 设计环境中的复用场景， 扩充现有的可复用方法学，提出名为f g r x 的方法学框架，并给出了基于 x m l 技术的实现。f g r x 方法的设计复用体系更通用，可复用对象的粒度 更细，能处理设计文件、验证环境、软件代码、设计文档等多种目标的复 用，提供极大的代码精简率，能很好地应对复杂环境中的高效设计复用。 i 本文中出现有所有术语和缩写，均在“缩写、符号清单、术语表”中统一给出了解释。 浙江大学博士学位论文第1 章引言 3 架构级性能建模的域特定优化。针对架构设计中的性能建模问题，提出名为 t b p m 的全新的基于事物数据流的建模方法，并设计了名为p m l 的性能建 模语言对整套建模方法进行封装，使设计者能够通快速地对包括软件在内的 系统建模，并通过精确周期的仿真得到性能数据，用于量化地分析架构设计 的性能，更好地权衡设计代价。 4 基于t b p m 方法和p m l 语言的架构设计智能优化。通过扩展p m l 语法把多 目标优化、智能算法、模糊逻辑技术应用到架构性能建模中，使设计者在建 模中加入不确定因素和性能目标，并指定决策权重和优化倾向，通过一系列 的并行计算过程，自适应、启发式地自动探索解空间，找出优化的架构设计 方案。这个算法的实现探索了架构设计中的设计空间探查( d s e ) 的可行 性，为设计者提供了全新的架构设计方法，能大幅提高架构设计效率和可靠 性。 本文的研究工作都有完整的代码实现，并在实际芯片开发项目中应用和检验，对实际 开发工作都起到了很大的推动作用，被证明能有效地提高芯片和系统的开发效率，并提升 了开发工作的品质。 1 2 研究动机 v l s i 设计方法从i c 延生以来，经历了多次革新。从最初的手工绘制，到1 9 世纪七 十年代布局布线工具的产生，到八十年代中期硬件描述语言( 玎) l ) 的产生，到今天已经 发展成包括设计、验证、仿真、综合等在内的完整的电子设计自动化( e d a ) 方法学和丰 富的工具链，以及一系列工业标准，可以说今天的v l s i 设计方法已经成为一个多学科交 叉的完整的体系。 在这半个世纪里，芯片的集成度按摩尔定律每1 8 个月翻一番，特征尺寸从0 1 8 9 m 缩 小到0 1 3 1 a m 和0 0 9 1 x m ，现在6 5 n m 工艺的中央处理器( c e n t r a lp r o c e s su n i t ，c p u ) 已经 获得广泛使用，i n t e l 已经在4 5 n m 制造工艺下实现了c p u 芯片，a r m 甚至在4 0 n m 工艺 下生产出了代号为c o r t e xa 9m p c o r e 的处理器。随着集成电路理论和制造工艺的不断进 步，芯片的特征尺寸进一步缩小，单位面积的芯片能包含更多的晶体管，从而能集成更多 2 浙江大学博士学位论文 第1 章引言 的功能模块。另一方面，随着信息化进程的推进，各个企业、机构都希望应用专门的集成 电路产品来升级内部的基础设施，终端用户也希望看到功能更丰富、应用更广阔的集成电 路产品。芯片容量的增加和用户需求的增长这两个不同方向上的发展趋势，最终都将设计 者带到了同一个挑战面前：如何才能更快、更高效地在芯片上实现功能集成? 随着集成电路设计制造技术的发展，v l s i 已经阔步进入了崭新的s o c 时代，电路模 块( 口) 的复用就是s o c 时代最明显的特征，也是设计者应对摩尔定律挑战，实现快速功 能集成的唯一途径。图1 1 是最近2 0 年内c p u 、g p u 和f p g a 芯片内晶体管数目的增长 趋势图，不难看出从总体上芯片的规模还是在以摩尔定律增长。值得注意的是，c p u 曲线 上的2 0 0 6 年和2 0 0 8 年有两个“大大超出”摩尔定律的点，分别是i n t e ld u a l - c o r ei t a n i u m 2 和i n t e ls i x - c o r ex e o n7 4 0 0 。这两个产品都应用了多核技术，在同一块芯片上集成了多 个同构( h o m o g e n e o u s ) 的处理核心。可见以复用完成的设计其电路的复杂度比常规设计 方法要高一个数量级，也就是说可以用很小的设计代价换来极大的芯片复杂度和集成度的 提高。 图1 1 不同领域芯片晶体管数增长曲线 从产品设计的角度，设计手段在往两个方向延伸。一个方向是面向逻辑描述的电路模 块( 口) 设计，另一个方向是基于m 集成的s o c 设计。前者深入底层逻辑，采用自底向 3 浙江大学博士学位论文 第l 章引言 上的理念；后者趋向更高的抽象层次，采用自顶向下、分而治之( d i v i d ea n dc o n q u e r ) 策 略。虽然二者的出发点相距甚远，却在“复用”这个核心理念上高度统一：成功的巾产 品能够被灵活地复用在多种s o c 设计中；s o c 设计的基本方法就是集成现有的p 完成应 用功能。无论口设计还是s o c 设计，设计者都通过h d l 来描述电路功能和芯片结构，但 作为数字v l s i 前端设计的唯一工具，h d l 在以复用为核心理念的s o c 时代中却显得有些 力不从心。虽然工业界定义了可复用设计方法学【1 1 ，并且以v e r