基于改进天牛须算法的异构三维片上网络的布图优化方法、装置、设备及介质制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于改进天牛须算法的异构三维片上网络的布图优化方法、装置、设备及介质，方法包括：(1)网络层划分：将片上网络所有任务映射到不同的IP核，并根据所有IP核的功能和种类，将所有IP核划分到异构三维片上网络的不同网络层；(2)布图方案优化：采用二叉树编码方式对每个网络层的IP核进行布图编码，并采用天牛须算法求解每个网络层上IP核的最优布图方案；其中，求解最优布图方案所采用的目标函数，其变量包括布图方案的芯片面积、通信链路和温度。本发明专利技术综合考虑芯片面积、链路长度和温度因素，提高异构三维片上网络的综合性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
基于改进天牛须算法的异构三维片上网络的布图优化方法、装置、设备及介质


[0001]本专利技术涉及三维大规模集成电路、布图规划以及智能优化算法的交叉领域，特别涉及一种基于改进天牛须算法的异构三维片上网络的布图优化方法。

技术介绍

[0002]集成电路依据摩尔定律不断发展，随着芯片的进步，片上系统(System on Chip,SoC)便成为主要的发展方向。目前，片上多核系统MPSoC已经慢慢应用于网络通信等嵌入式电子设备中。随着半导体技术进入了纳米级工艺时代，单一芯片上实现了存储、收集信号、信号转换、系统控制等功能。片上系统的优势在于它利用IP核(Intellectual Property Core，IP core)可重用技术和基于总线的通信模式，减少了单个部件的开发时间，解决了电路集成度过高造成的多个IP核之间的通信互连问题，继而提高了芯片的设计效率。而随着深亚微米集成工艺技术的成熟，单一芯片上集成的IP核数目越来越多，片上系统采用的基于分段式总线和共享总线的互连结构已经不能匹配快速发展的通信需求，传统的片上系统开始面临在通信带宽、通信功耗、全局同步等各方面出现的局限性问题。所以，近年来研究学者们为了彻底解决总线结构通信模式带来的局限性，把计算机网络技术引进到芯片设计中来，片上网络(Network on Chip，NoC)应运而生。
[0003]随着系统性能需求越来越高，传统的总线型结构已经不能满足系统的性能需求，因此片上网络慢慢成为芯片上多个IP核之间相互通信的桥梁。片上网络的研究从二维片网逐渐扩展到了三维片网。芯片集成度的进一步提升，使得二维片上网络已经不能保证关键部件相邻，与2D NOC相比，3D NOC具有很多优势，提高芯片带宽，更高的通信效率，全局同步，芯片的功能趋于多样化等。
[0004]深亚微米集成工艺技术的成熟，使得单一芯片上的IP核数目越来越多，而且每个IP核呈现不同形状大小，这就需要一种算法，找出最优解，使得信息传输频繁的两个IP核距离最近，同时保证整体的规则形状。布图规划阶段作为芯片物理设计的第一个阶段，是影响整个芯片性能的关键环节，布图规划问题对系统的功耗、延迟等性能均有很大影响。
[0005]然而，布图规划阶段的成本函数只用线性加权的方式考虑芯片面积和链路长度并不能满足实际的情况，三维片上网络多层堆叠的方式增加了芯片的功率密度，而且也增长了散热路径，导致热量积聚速度变快，超高的温度可能会永久性的损坏芯片。而且，由于芯片面积有限，大量IP核集成于一个芯片上进行数据传输，芯片上的功耗密度和热度可以和核能量相比，所产生的热量会对系统的正常运行产生影响。因此，在布图设计除考虑芯片面积和链路长度外，还有必要考虑温度因素。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供一种基于改进天牛须算法的异构三维片上网络的布图优化方法，综合考虑芯片面积、链路长度和温度因素，提高异构三维片上网络的综合性能。
[0007]为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种基于改进天牛须算法的异构三维片上网络的布图优化方法，包括：
[0009]网络层划分：将片上网络所有任务映射到不同的IP核，并根据所有IP核的功能和种类，将所有IP核划分到异构三维片上网络的不同网络层；
[0010]布图方案优化：采用二叉树编码方式对每个网络层的IP核进行布图编码，并采用天牛须算法求解每个网络层上IP核的最优布图方案；其中，求解最优布图方案所采用的目标函数，其变量包括布图方案的芯片面积、通信链路和温度。
[0011]进一步地，映射到IP核上的片上网络任务，可以是计算任务或通信任务。
[0012]进一步地，选择红黑树编码方式对每个网络层的IP核进行布图编码。
[0013]进一步地，求解最优布图方案所采用的目标函数表达式为：
[0014]Cost＝α
·
A+β
·
m+γ
·
T；
[0015]式中，Cost代表完成布图方案所需的成本，作为目标函数值；A、m和T分别代表布图方案对应到芯片上的芯片面积、总的链路长度和温度，α、β和γ分别代表平衡面积、链路长度和温度的系数；
[0016]其中，温度T的计算式为：
[0017][0018]式中，P
avg
表示芯片单位面积上的功率密度，S为热流传导面积，k是芯片材料的热传导率。
[0019]进一步地，目标函数还包括每个IP核的温度约束：T
i
≤T
max
；其中，T
i
代表任意的IP核，T
max
为IP核的温度阈值。
[0020]进一步地，采用天牛须算法求解每个网络层上IP核的最优布图方案的过程为：
[0021]A1，初始化：设置天牛须算法中的左右两须距离d、步长δ和迭代次数；随机初始化一个布图方案，使用其IP核序列表示天牛初始的质心坐标x0；设置适应度函数，即目标函数；
[0022]A2，将天牛初始的质心坐标作为天牛最优位置x
bst
，计算天牛当前最优位置对应布图方案的目标函数值，记为最优目标函数值f
bst
，
[0023]A3，生成一个随机向量dir，且满足dir＝rands(n,1)，将dir归一化可表示为dir＝dir/norm(dir)，并根据公式(2)搜索两须位置；
[0024][0025]A4，分别计算左右须适应度值fleft＝f(x
l
)，fright＝f(x
r
)；
[0026]A5，更新下一步位置x
t+1
：若fleft＜fright，天牛向左须方向前进δ，即x
t+1
＝x
t
+δ
t
·
normal(x
l
‑
x
r
)；若fleft＞fright，天牛向右须方向前进δ，即x
t+1
＝x
t
‑
δ
·
normal(x
l
‑
x
r
)；
[0027]A6，更新步长δ和两须间的距离d：δ
t+1
＝0.95δ
t
，d
t+1
＝0.95d
t
+0.01；
[0028]A7，判断位置x
t+1
对应的布图序列是否能编码成红黑树，若是则执行步骤A8，否则
修正位置x
t+1
对应的布图序列，同步根据修正得到的布图序列修正位置x
t+1
，重复本步骤A7；
[0029]A8，判断当前目标函数值f(x
t+1
)是否小于当前最优目标函数值f
bst
：若小于则将天牛最优位置x
bst
更新为x
t+1
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于改进天牛须算法的异构三维片上网络的布图优化方法，其特征在于，包括：网络层划分：将片上网络所有任务映射到不同的IP核，并根据所有IP核的功能和种类，将所有IP核划分到异构三维片上网络的不同网络层；布图方案优化：采用二叉树编码方式对每个网络层的IP核进行布图编码，并采用天牛须算法求解每个网络层上IP核的最优布图方案；其中，求解最优布图方案所采用的目标函数，其变量包括布图方案的芯片面积、通信链路和温度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，映射到IP核上的片上网络任务，可以是计算任务或通信任务。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，选择红黑树编码方式对每个网络层的IP核进行布图编码。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，求解最优布图方案所采用的目标函数表达式为：Cost＝α
·
A+β
·
m+γ
·
T；式中，Cost代表完成布图方案所需的成本，作为目标函数值；A、m和T分别代表布图方案对应到芯片上的芯片面积、总的链路长度和温度，α、β和γ分别代表平衡面积、链路长度和温度的系数；其中，温度T的计算式为：式中，P
avg
表示芯片单位面积上的功率密度，S为热流传导面积，k是芯片材料的热传导率。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，目标函数还包括每个IP核的温度约束：T
i
≤T
max
；其中，T
i
代表任意的IP核，T
max
为IP核的温度阈值。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用天牛须算法求解每个网络层上IP核的最优布图方案的过程为：A1，初始化：设置天牛须算法中的左右两须距离d、步长δ和迭代次数；随机初始化一个布图方案，使用其IP核序列表示天牛初始的质心坐标x0；设置适应度函数，即目标函数；A2，将天牛初始的质心坐标作为天牛最优位置x
bst
，计算天牛当前最优位置对应布图方案的目标函数值，记为最优目标函数值f
bst
，A3，生成一个随机向量dir，且满足dir＝rands(n,1)，将dir归一化可表示为dir＝dir/norm(dir)，并根据公式(2)搜索两须位置；A4，分别计算左右须适应度值fleft＝f(x
l
)，fright＝f(x
r
)；A5，更新下一步位置x
t+1
：若fleft＜fright，天牛向左须方向前进δ，即x
t+1
＝x
t
+δ
t

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟荣，荣介奇，张晓勇，蒋富，李烁，杨迎泽，朱正发，彭军，黄志武，李恒，程亦君，顾欣，陈彬，张瑞，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：