CN103077278A - 一种片上系统的电压岛供电引脚分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种片上系统的供电引脚分配方法，优点在于提出的方法能根据电压岛的物理布图信息及宏模块的几何拓扑信息，基于弹簧模型快速确定供电引脚的位置，不仅可以适用于后布图优化阶段，而且适用于布图协同优化阶段；此外，考虑到电流密度较大的电路宏模块需放置在离供电引脚较近的位置减小电压降，提出的方法能根据电流密度的大小给电路宏模块连接的弹簧分配不同的劲度系数，从而影响弹簧系统的能量均衡点位置，进而影响供电引脚的位置。相比于传统的片上系统供电引脚分配方法，提出的方法能有效降低片上系统电压岛电源网络节点的电压降。从而丰富了片上系统电压岛的供电引脚分配的自动设计优化方法，又降低了设计成本。通过实例验证，本发明的方法得到的电源网络电压降能得到有效降低。

Description

一种片上系统的电压岛供电引脚分配方法

技术领域

本发明涉及一种片上系统的自动化设计方法，尤其是涉及一种片上系统的电压岛供电引脚分配方法。

背景技术

片上系统(system-on-a-chip,SoC)包含多个电路宏模块，多电压技术将其中的电路宏模块按照功能进行划分，在物理布图中聚集在一起形成电压岛(voltage island,VI)并赋予满足性能要求的电压。因此，片上系统也可看成由若干工作在较低电压下的电压岛组成。因动态功耗与供电电压的平方呈正比，通过多电压技术形成电压岛可有效降低片上系统的动态功耗，成为当前片上系统低功耗设计的主流方法。

相比于基于电压岛的多电压技术，单电压技术往往将电源供电引脚固定在片上系统芯片的特定位置上，例如芯片边缘(boundary)的左下角和右上角。此外，通常一个单电压芯片可给定多个供电引脚。单电压技术中的供电引脚分配方法并不适用于多电压技术。首先，一个电压岛只允许一个供电引脚，这主要是因为对于采用跳线(wire bonded)形式封装的芯片，供电引脚必须放置在芯片的边缘，供电引脚必须和其他信号引脚争夺有限的引脚位置，让每个电压岛拥有多个供电引脚可能不能得到满足；其次，供电引脚的位置需要根据电压岛的物理布图信息而分配，而不能预先设定供电引脚的位置。

供电引脚的分配直接关系到多电压SoC中电压岛的供电网络节点电压降，若分配不当，势必造成电压降过大，从而使得电压岛中的电路宏模块的供电不足引起电路失效。另外，为了满足电压降约束，电源网络所耗费的布线面积也将随之增大。因此对片上系统的电压岛分配供电引脚对于优化电压岛的电源网络有着较强的现实意义和实践意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种片上系统的电压岛供电引脚分配方法，考虑到供电引脚应兼顾岛内所有电路宏模块，该方法基于电压岛的物理布图信息及几何拓扑信息，将电压岛中每个电路宏模块的中心点为固定点，分别连接一个零长度、劲度系数为k的虚拟弹簧的一端，然后将所有弹簧的另外一端连接到一起组成弹簧系统，并通过计算得出弹簧系统的能量均衡点，能量均衡点被认为是兼顾到岛内所有电路宏模块的最佳供电点。由于采用跳线结构进行封装的芯片，供电引脚必须放置到芯片的边缘，接下来在芯片边缘上的可能的供电引脚集合中寻找出一个引脚，使其到能量均衡点的曼哈顿距离最小，即能量均衡点在水平和垂直方向上的偏移总和最小，该点即为供电引脚位置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种片上系统的电压岛供电引脚分配方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤①：定义电压岛为工作在同一工作电压下且占据连续物理空间的电路宏模块组成的区域；片上系统由若干电压岛组成，计算机读入和分析用户提供的电压岛信息、电压岛中电路宏模块的坐标信息和长宽信息、片上系统边缘上所有的电源引脚位置坐标信息；

步骤②：定义电压岛中所包含的电路宏模块集合为B，对于每一个电路宏模块b_i∈B，根据电路宏模块坐标信息及电路宏模块长宽信息可确定b_i中心点坐标

假设以电路宏模块中心点为固定点，该固定点与一个零长度，劲度系数为

的弹簧的一端连接，并将集合B中所有与电路宏模块所连接的弹簧的另一端互相连接在一起，所有的弹簧组成了弹簧系统；计算出弹簧系统的能量均衡点e的坐标(x_e,y_e)；若一个电压岛中所有电路宏模块中具有最小面积的电路宏模块的面积值为A₀，b_i的面积值为则

$k_{b_i}=A_{b_i}/A_0---\left(1\right)$

能量均衡点e到各电路宏模块中心点所引起的弹簧拉力可分解为在水平方向的分力

和垂直方向的分力

其中

${\stackrel{{\mathrm{uv}}_x}{F}}_{b_i}=k_{b_i}\×(x_{b_i}-x_e)---\left(2\right)$

${\stackrel{{\mathrm{uv}}_y}{F}}_{b_i}=k_{b_i}\×(y_{b_i}-y_e)---\left(3\right)$

能量均衡点e的坐标可通过公式(4)和(5)求解得到；

$\underset{b_i\∈B}{\mathrm{\Σ}}{\stackrel{{\mathrm{uv}}_x}{F}}_{b_i}=\underset{b_i\∈B}{\mathrm{\Σ}}{k}_{b_i}\×(x_{b_i}-x_e)=0---\left(4\right)$

$\underset{b_i\∈B}{\mathrm{\Σ}}{\stackrel{{\mathrm{uv}}_y}{F}}_{b_i}=\underset{b_i\∈B}{\mathrm{\Σ}}{k}_{b_i}\×(y_{b_i}-y_e)=0---\left(5\right)$

步骤③：定义片上系统边缘所有的电源引脚位置集合P，寻找出一个电源引脚p_j∈P，使得p_j到能量均衡点e的曼哈顿距离最小，即

最小，p_j即为该电压岛的电源引脚分配的位置。

步骤④：对于片上系统中的其他电压岛，重复步骤②～③可完成相应的电源引脚分配。

与现有技术相比，本发明的优点在于提出的方法能够根据电压岛的物理布图信息及电路宏模块的几何拓扑信息，基于弹簧模型快速确定供电引脚的位置，不仅可以适用于后布图优化阶段，而且适用于布图协同优化阶段；此外，考虑到电流密度较大的电路宏模块需放置在离供电引脚较近的位置以减小电压降，提出的方法能根据电流密度的大小给电路宏模块连接的弹簧分配不同的劲度系数，从而影响弹簧系统的能量均衡点位置，进而影响供电引脚的位置。相比于传统的片上系统供电引脚分配方法，提出的方法能有效降低片上系统电压岛电源网络节点的电压降。既丰富了片上系统供电引脚分配的自动设计优化方法，又降低了设计成本。

附图说明

图1为片上系统物理布图表示及弹簧模型示意图；

图2为片上系统的电压岛供电引脚及电源供电网络示意图；

具体实施方式

表一

电路宏模块	左下角坐标	长	宽	面积
					b1	(0,75)	70	85	5950
b2	(0,0)	70	75	5250
					b3	(70,0)	50	160	8000
b4	(120,100)	50	60	3000
					b5	(170,100)	40	60	2400
b6	(120,0)	90	100	9000

表二

电源引脚	坐标	电源引脚	坐标	电源引脚	坐标	电源引脚	坐标
								p0	(0,0)	p9	(50,0)	p18	(210,150)	p27	(180,0)
p1	(0,20)	p10	(60,0)	p19	(210,130)	p28	(170,0)
								p2	(0,50)	p11	(90,0)	p20	(210,120)	p29	(150,0)
p3	(0,60)	p12	(110,0)	p21	(210,100)	p30	(100,0)
								p4	(0,90)	p13	(130,0)	p22	(210,80)	p31	(70,0)
p5	(0,100)	p14	(150,0)	p23	(210,60)	p32	(60,0)
								p6	(0,150)	p15	(170,0)	p24	(210,50)	p33	(40,0)
p7	(20,0)	p16	(190,0)	p25	(210,20)	p34	(20,0)
								p8	(40,0)	p17	(210,0)	p26	(200,0)

以下结合附图实例对本发明作进一步详细描述。

图1所示为一种片上系统的布图表示，其包含6个电路宏模块b₁，b₂，b₃，b₄，b₅和b₆。

步骤①：定义电压岛为工作在同一工作电压下且占据连续物理空间的电路宏模块组成的区域，如图1中所示b₁，b₂，b₃组成一个电压岛I₁，而b₄，b₅，b₆可汇聚成另外一个电压岛I₂；片上系统由若干电压岛组成，图1所示的片上系统由上述两个电压岛组成，计算机读入和分析用户提供的电压岛信息、电压岛中电路宏模块的坐标信息和长宽信息、片上系统边缘上所有的电源引脚位置坐标信息，电路宏模块的坐标信息和长宽信息见表一，所有的电源引脚位置坐标信息见表二；

步骤②：定义电压岛中所包含的电路宏模块集合为B={b₁,b₂,b₃}，对于每一个电路宏模块b_i∈B，根据电路宏模块坐标信息及电路宏模块长宽信息可确定b_i中心点坐标

即 $(x_{b_1},y_{b_1})=\left(\mathrm{35,117.5}\right),$ $(x_{b_2},y_{b_2})=\left(\mathrm{35,37.5}\right),$ $(x_{b_3},y_{b_3})=\left(\mathrm{95,80}\right),$ 假设以电路宏模块中心点为固定点，该固定点与一个零长度，劲度系数为

的弹簧的一端连接，并将集合B中所有与电路宏模块所连接的弹簧的另一端互相连接在一起，所有的弹簧组成了弹簧系统；计算出弹簧系统的能量均衡点e的坐标(x_e,y_e)；若一个电压岛中所有电路宏模块中具有最小面积的电路宏模块的面积值为A₀，b_i的面积值为则

$k_{b_i}=A_{b_i}/A_0---\left(1\right)$

即 $k_{b_1}=A_{b_1}/A_0=5950/5250=1.13,$

$k_{b_2}=A_{b_2}/A_0=5250/5250=1,$

$k_{b_3}=A_{b_3}/A_0=8000/5250=1.52,$

能量均衡点e到各电路宏模块中心点所引起的弹簧拉力可分解为在水平方向的分力

和垂直方向的分力其中

${\stackrel{{\mathrm{uv}}_x}{F}}_{b_i}=k_{b_i}\×(x_{b_i}-x_e)---\left(2\right)$

${\stackrel{{\mathrm{uv}}_y}{F}}_{b_i}=k_{b_i}\×(y_{b_i}-y_e)---\left(3\right)$

能量均衡点e的坐标可通过公式(4)和(5)求解得到；

$\underset{b_i\∈B}{\mathrm{\Σ}}{\stackrel{{\mathrm{uv}}_x}{F}}_{b_i}=\underset{b_i\∈B}{\mathrm{\Σ}}{k}_{b_i}\×(x_{b_i}-x_e)=0---\left(4\right)$

$\underset{b_i\∈B}{\mathrm{\Σ}}{\stackrel{{\mathrm{uv}}_y}{F}}_{b_i}=\underset{b_i\∈B}{\mathrm{\Σ}}{k}_{b_i}\×(y_{b_i}-y_e)=0---\left(5\right)$

即

$\underset{b_i\∈B}{\mathrm{\Σ}}{\stackrel{{\mathrm{uv}}_x}{F}}_{b_i}=\underset{b_i\∈B}{\mathrm{\Σ}}{k}_{b_i}\×(x_{b_i}-x_e)=$

$k_{b_1}\×(x_{b_1}-x_e)+k_{b_2}\×(x_{b_2}-x_e)+k_{b_3}\×(x_{b_3}-x_e)$

$=1.13\×(35-x_e)+1\×(35-x_e)+1.52\×(95-x_e)=0$

得到x_e=60，又

$\underset{b_i\∈B}{\mathrm{\Σ}}{\stackrel{{\mathrm{uv}}_y}{F}}_{b_i}=\underset{b_i\∈B}{\mathrm{\Σ}}{k}_{b_i}\×(y_{b_i}-y_e)=$

$k_{b_1}\×(y_{b_1}-y_e)+k_{b_2}\×(y_{b_2}-y_e)+k_{b_3}\×(y_{b_3}-y_e)$

$=1.13\×(117.5-y_e)+1\×(37.5-y_e)+1.52\×(80-y_e)=0$

得到y_e=80，均衡点e见图1；

步骤③：定义片上系统边缘所有的电源引脚位置集合P={p₀,p₁,L,p₃₄}，寻找出一个电源引脚p_j∈P，使得p_j到能量均衡点e的曼哈顿距离最小，即

最小，p_j即为该电压岛的电源引脚分配的位置，通过遍历P中的所有p_j，得到能量均衡点e到p₄的曼哈顿距离为

$|x_e-x_{p_j}|+|y_e-y_{p_j}|=|60-0|+|80-90|=70$

为最小值，因此，电压岛I₁的供电引脚为p₄；

步骤④：对于片上系统中的其他电压岛I₂，重复步骤②～③可完成相应的电源引脚分配，电压岛I₂的供电引脚为p₂₂。

基于上述电压岛的供电引脚分配，通过规则的网络产生如图2所示的电压岛电源网络，可通过基尔霍夫节点电压方程求解出电源网络中各节点的电压，从而计算出电源网络中的电压降。其中电路宏模块上的引脚设定为电路宏模块的中心点，且与电源网络上与中心点最近的节点连接。设定电源网络的间距pitch=40um，线宽为4um，方块电阻为0.1Ω/sq，供电电压为1.5V，通过采用共轭梯度法求解得到I₁的电源网络最大电压降为119mV，I₂的电源网络最大电压降为86mV。若按照传统方法将供电引脚放置到左下角或者右上角，如图2所示，即I₁的供电引脚为p₀，I₂的供电引脚为p₁₇，计算得出I₁的电源网络最大电压降为180mV，I₂的电源网络最大电压降为151mV，较本发明提出的方法分别增加了33.8%和43.0%，况且均大于供电电压的10%，即150mV，易导致片上系统的某些电路宏模块供电不足，无法完成正常的逻辑功能。因此，本发明能更好的降低电压降。

Claims (1)

1.一种片上系统的电压岛供电引脚分配方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤①：定义电压岛为工作在同一工作电压下且占据连续物理空间的电路宏模块组成的区域；片上系统由若干电压岛组成，计算机读入和分析用户提供的电压岛信息、电压岛中电路宏模块的坐标信息和长宽信息、片上系统边缘上所有的电源引脚位置坐标信息；

步骤②：定义电压岛中所包含的电路宏模块集合为B，对于每一个电路宏模块b_i∈B，根据电路宏模块坐标信息及电路宏模块长宽信息可确定b_i中心点坐标

假设以电路宏模块中心点为固定点，该固定点与一个零长度，劲度系数为

的弹簧的一端连接，并将集合B中所有与电路宏模块所连接的弹簧的另一端互相连接在一起，所有的弹簧组成了弹簧系统；计算出弹簧系统的能量均衡点e的坐标(x_e,y_e)；若一个电压岛中所有电路宏模块中具有最小面积的电路宏模块的面积值为A₀，b_i的面积值为

则

$k_{b_i}=A_{b_i}/A_0---\left(1\right)$

能量均衡点e到各电路宏模块中心点所引起的弹簧拉力可分解为在水平方向的分力

和垂直方向的分力

其中

${\stackrel{{\mathrm{uv}}_x}{F}}_{b_i}=k_{b_i}\×(x_{b_i}-x_e)---\left(2\right)$

${\stackrel{{\mathrm{uv}}_y}{F}}_{b_i}=k_{b_i}\×(y_{b_i}-y_e)---\left(3\right)$

能量均衡点e的坐标可通过公式(4)和(5)求解得到；

$\underset{b_i\∈B}{\mathrm{\Σ}}{\stackrel{{\mathrm{uv}}_x}{F}}_{b_i}=\underset{b_i\∈B}{\mathrm{\Σ}}{k}_{b_i}\×(x_{b_i}-x_e)=0---\left(4\right)$

$\underset{b_i\∈B}{\mathrm{\Σ}}{\stackrel{{\mathrm{uv}}_y}{F}}_{b_i}=\underset{b_i\∈B}{\mathrm{\Σ}}{k}_{b_i}\×(y_{b_i}-y_e)=0---\left(5\right)$

步骤③：定义片上系统边缘所有的电源引脚位置集合P，寻找出一个电源引脚p_j∈P，使得p_j到能量均衡点e的曼哈顿距离最小，即

最小，p_j即为该电压岛的电源引脚分配的位置。

步骤④：对于片上系统中的其他电压岛，重复步骤②～③可完成相应的电源引脚分配。

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