專利名稱：一種片上供電網(wǎng)絡(luò)仿真方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路設(shè)計領(lǐng)域，尤其涉及一種片上供電網(wǎng)絡(luò)仿真方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在超大規(guī)模集成電路中，各元器件正常工作的一個重要前提是其能得到正常的供電電壓。而實際上，隨著集成電路工藝尺寸的不斷降低，平面工藝設(shè)計下的集成電路供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)阻抗顯得越來越大，供電系統(tǒng)的金屬走線上的電壓降已經(jīng)變得不可忽略，即元器件上得到的實際供電電壓會小于外部的電源電壓。如果供電網(wǎng)絡(luò)上的電壓降過大，就可能使元器件上得到的供電電壓過低，導(dǎo)致元器件的時延增加，影響芯片性能，嚴重時還會引起邏輯錯誤。隨著集成電路設(shè)計要求與工藝制造能力的發(fā)展，供電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計面臨著越來越嚴峻的挑戰(zhàn)，這主要體現(xiàn)在一、芯片制造工藝尺寸不斷降低，集成度越來越高，也即是芯片功率密度越來越大，對供電系統(tǒng)的能力提出了越來越高的要求；二、由于低功耗設(shè)計和散熱方面的考慮，芯片供電電壓越來越低，使得供電電壓降閾值越來越低；三、由于晶體管的工作電壓不斷降低，使得其噪聲容限變得越來越低，對供電電壓降的波動更加敏感；四、供電系統(tǒng)的金屬走線也越來越窄，進而使得單位長度上的電阻電容等寄生效應(yīng)更加顯著。因此，供電網(wǎng)絡(luò)的性能已經(jīng)成為集成電路設(shè)計與優(yōu)化的一個重要瓶頸，日益受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視。高效、精確的供電網(wǎng)絡(luò)分析方法，對供電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與優(yōu)化有著重要的意義。在供電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計過程中，仿真可以盡早地發(fā)現(xiàn)供電網(wǎng)絡(luò)潛在的問題并進行調(diào)整，避免在設(shè)計后期再調(diào)整時帶來很大的設(shè)計成本。而目前供電網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化流程一般都是迭代地進行的，即在當(dāng)前設(shè)計的基礎(chǔ)上根據(jù)仿真分析的結(jié)果進行調(diào)整，得到下一步的設(shè)計，重復(fù)這樣的流程直到得到一個合理的設(shè)計結(jié)果，這種重復(fù)的仿真分析往往是設(shè)計過程中比較耗時的部分。因此，一個快速高效的供電網(wǎng)絡(luò)仿真器則成為供電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與優(yōu)化的核心。目前廣泛使用的供電網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)是一個網(wǎng)格狀的拓撲結(jié)構(gòu)，供電網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)仿真分析是針對一個純電阻網(wǎng)絡(luò)模型，采用經(jīng)典的結(jié)點分析方法，建立一個大規(guī)模的線性方程組，通過求解這個線性方程組得到所有結(jié)點的電壓值，從而可以進一步分析各結(jié)點的電壓降以及檢查電流密度等。供電網(wǎng)絡(luò)的瞬態(tài)分析通常是針對包含電阻、電容和電感的模型，將儲能元件電容和電感進行離散化，離散化后的電容和電感元件都可以等效為一個常數(shù)電阻并聯(lián)一個電流源，電流源的大小可以根據(jù)上一個時間點的仿真結(jié)果得到，通過求解每個時間點上的電路結(jié)點電壓響應(yīng)，即可得到供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)點電壓的動態(tài)變化，因此供電網(wǎng)絡(luò)的瞬態(tài)仿真即是一系列的靜態(tài)仿真，實質(zhì)上就是求解一系列的線性方程組?；诖?，本發(fā)明只關(guān)注如何對供電網(wǎng)絡(luò)進行快速的靜態(tài)仿真分析。供電網(wǎng)絡(luò)可以看作由供電金屬走線形成的電阻支路和金屬走線交叉點形成的結(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)，通過基爾霍夫電壓定律和基爾霍夫電流定律，整個網(wǎng)絡(luò)的電學(xué)特性滿足一系列的線性方程組，此線性方程組可以形式化為矩陣方程，通過稀疏線性系統(tǒng)求解技術(shù)可以快速地得到該線性系統(tǒng)的待求向量，也即是供電網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點電壓向量。對于目前的高端數(shù)字芯片來說，其供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)模很大，一般在數(shù)十兆到數(shù)百兆之間，因此對求解器的性能有著很高的要求。傳統(tǒng)的方法是采用SPICE仿真器，該仿真器采用LU分解技術(shù)對線性系統(tǒng)方程進行直接求解，對于目前數(shù)百萬結(jié)點規(guī)模的供電網(wǎng)絡(luò)仿真來說，其對內(nèi)存的消耗是極為巨大的，無法對大規(guī)模的供電網(wǎng)絡(luò)進行分析。供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)形式化出來的矩陣方程的系數(shù)矩陣具有稀疏、對稱、正定以及對角占優(yōu)等良好性質(zhì)，目前已有的供電網(wǎng)絡(luò)分析方法包括多重網(wǎng)格方法、預(yù)條件共軛梯度法、層次化方法和隨機行走等，但由于設(shè)計規(guī)模很大，上述方法仍然不能很好地滿足實際設(shè)計需求。因此，工業(yè)界需要研發(fā)更高精度、更快速收斂而且更加穩(wěn)定的供電網(wǎng)絡(luò)仿真器
發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種片上供電網(wǎng)絡(luò)仿真方法及系統(tǒng)。本發(fā)明提供了一種片上供電網(wǎng)絡(luò)仿真方法，包括步驟1，讀入SPICE網(wǎng)表；步驟2，建立供電網(wǎng)絡(luò)拓撲圖；步驟3，建立矩陣方程Ax = b，其中ASnXn的電導(dǎo)矩陣，x為供電網(wǎng)絡(luò)待求解的結(jié)點電壓向量，b為電流，η為細網(wǎng)格點數(shù)；步驟4，利用網(wǎng)格點雙重聚合算法求解粗化算子，并利用粗化算子求解矩陣方程。在一個示例中，網(wǎng)格點雙重聚合算法包括步驟41,利用網(wǎng)格點單次聚合算法PWA(Α, β )求得不相交集合61,其中i = I,...,η，η。為粗網(wǎng)格點數(shù)；步驟42，求得不相交集合Gi = ^ jeGm Gf ,并在代數(shù)層次上進行網(wǎng)格點聚合之后得到粗化層次k時的集合Gf，其中i = 1，2，...，<，
β ⑴=akl
0 2\...,0^=ΡΨΑ{/ι\β) :j 為々 ，
A w = Y Y Ω
G1'···，% =灣4#)/為強雜稱合因子;為)/南)Μ;步驟43,計算粗化算子< =j ^ 7 ’ i = I,…，nk ; j = I,…，
[O otherwise,γζ。在一個示例中，利用粗化算子求解矩陣方程包括步驟44，按照下述公式迭代求解矩陣方程
r rI Zk .CCk= ； /，
PkMxk+1 = Xk+ a kPk ；rk+1 = rk- a kApk ；如果rk+1< ε則終止迭代并輸出供電網(wǎng)絡(luò)待求解的結(jié)點電壓向量xk+1，否則繼續(xù)迭代，ε為預(yù)設(shè)值；步驟45，按照下述公式更變參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種片上供電網(wǎng)絡(luò)仿真方法，其特征在于，包括 步驟1，讀入SPICE網(wǎng)表； 步驟2，建立供電網(wǎng)絡(luò)拓撲圖； 步驟3，建立矩陣方程Ax = b，其中A為nXn的電導(dǎo)矩陣，x為供電網(wǎng)絡(luò)待求解的結(jié)點電壓向量，b為電流，n為細網(wǎng)格點數(shù)； 步驟4，利用網(wǎng)格點雙重聚合算法求解粗化算子，并利用粗化算子求解矩陣方程。
2.如權(quán)利要求I所述的片上供電網(wǎng)絡(luò)仿真方法，其特征在于，網(wǎng)格點雙重聚合算法包括 步驟41,利用網(wǎng)格點單次聚合算法
3.如權(quán)利要求I所述的片上供電網(wǎng)絡(luò)仿真方法，其特征在于，利用粗化算子求解矩陣方程包括 步驟44，按照下述公式迭代求解矩陣方程
4.如權(quán)利要求3所述的片上供電網(wǎng)絡(luò)仿真方法，其特征在于，zk= Vk+yk+wk，其中AkVk=rk, rk =rk-Akvk ,rk—' =P^rk , = , Yk^1 = AMGprecondOv1, k~l), yk = P1Jh,h=h -Ayk，Ak為粗化層次k上的系數(shù)矩陣。
5.如權(quán)利要求I至4任意一項所述的片上供電網(wǎng)絡(luò)仿真方法，其特征在于，該方法還包括 步驟5，打印求解后的結(jié)點電壓向量到指定文件中； 步驟6，利用測試實例測試的運行時間和內(nèi)存消耗情況； 步驟7，利用測試實例測試的運行時間和內(nèi)存消耗情況隨問題規(guī)模增長而增長的趨勢。
6.一種片上供電網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)，其特征在于，包括 SPICE網(wǎng)表解析器，用于讀入SPICE網(wǎng)表； 電路構(gòu)建器，用于建立供電網(wǎng)絡(luò)拓撲圖； 線性系統(tǒng)求解器，用于建立矩陣方程Ax = b，其中A為nXn的電導(dǎo)矩陣，X為供電網(wǎng)絡(luò)待求解的結(jié)點電壓向量，b為電流，n為細網(wǎng)格點數(shù)；利用網(wǎng)格點雙重聚合算法求解粗化算子，并利用粗化算子求解矩陣方程。
7.如權(quán)利要求6所述的片上供電網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)，其特征在于， 線性系統(tǒng)求解器，用于利用網(wǎng)格點單次聚合算法PWA(A，￠)求得不相交集合Gi,其中i = 1，...，n。，n。為粗網(wǎng)格點數(shù)；用于求得不相交集合
8.如權(quán)利要求7所述的片上供電網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)，其特征在于，線性系統(tǒng)求解器利用粗化算子求解矩陣方程，具體是按照下述公式迭代求解矩陣方程
9.如權(quán)利要求8所述的片上供電網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)，其特征在于，zk= Vk+yk+wk，其中AkVk=rk，rk=rk-AkVk ,rk_x =PkTrk , Ak^1 = rk^, yk^ = AMGprecondOv1, k_l), yk = P1Jh,h=h -Ayk，Ak為粗化層次k上的系數(shù)矩陣。
10.如權(quán)利要求6至9任意一項所述的片上供電網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)，其特征在于，該仿真系統(tǒng)還包括 打印模塊，打印求解后的結(jié)點電壓向量到指定文件中； 運行時間和內(nèi)存消耗測試模塊，用于利用測試實例測試的運行時間和內(nèi)存消耗情況；以及利用測試實例測試的運行時間和內(nèi)存消耗情況隨問題規(guī)模增長而增長的趨勢。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種片上供電網(wǎng)絡(luò)仿真方法及系統(tǒng)。該方法包括步驟1，讀入SPICE網(wǎng)表；步驟2，建立供電網(wǎng)絡(luò)拓撲圖；步驟3，建立矩陣方程Ax＝b，其中A為n×n的電導(dǎo)矩陣，x為供電網(wǎng)絡(luò)待求解的結(jié)點電壓向量，b為電流，n為細網(wǎng)格點數(shù)；步驟4，利用網(wǎng)格點雙重聚合算法求解粗化算子，并利用粗化算子求解矩陣方程。本發(fā)明提出一種更穩(wěn)定、高效、占用內(nèi)存更少、且具有線性復(fù)雜度的供電網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)仿真方案，該方案可在在滿足用戶指定的求解精度情況下，以盡量少的運行時間、盡量少的內(nèi)存消耗完成對指定SPICE網(wǎng)表格式的供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)點電壓降分析。
文檔編號G06F17/50GK102663166SQ20121007317
公開日2012年9月12日 申請日期2012年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者周強, 李佐渭, 楊建磊, 蔡懿慈 申請人:清華大學(xué)