面向双阈值电压及电源门控技术的低漏功耗调度算法研究

With the scaling of the semiconductor technology, the 14nm process technology has entered mass production. In nano-technology, leakage power becomes dominant, making it one of the main considerations for the chip designs. This project proposes to optimize the leakage power in the scheduling, which is a key step in high-level synthesis, by simultaneously using dual-threshold voltage and power-gating technologies. Additionally, the data-path resource usages are also optimized so as to provide scheduling results with multi-target optimized, including leakage power, schedule length, and area. The research process can be mainly divided into two stages: Firstly, the scheduling algorithms with consideration of dual-threshold voltage and power-gating technologies will be studied and developed. Secondly, to avoid the situation that independently reducing leakage power may increase the resource usages of data-path components, the usage of data-path components, including functional unit, register and interconnection (multiplexers and wiring) will be accurately estimated by graph theory-based methods for evaluating the operation schedules during the optimization, and the objective is to find the schedules with high performance, low leakage power and low resource usage. The results of this project will lay the foundation of low leakage power optimization in scheduling, and provide designers with effective high-level synthesis tools that focus on leakage power reduction.

随着半导体工艺的精细化进程，14nm工艺技术已经发展至大规模量产阶段。在超大规模集成电路的功耗中，漏电功耗所占比重日益增大，已成为重要的集成电路设计指标。本项研究拟在高层次综合的调度问题中对集成电路系统的漏电功耗优化问题展开研究，通过结合使用双阈值电压及电源门控技术以拓展漏电功耗的优化空间，并最终提供优化漏电功耗、时序、面积等设计指标的调度方案。研究拟分两阶段开展：第一阶段，拟将双阈值电压与电源门控技术相结合，通过权衡漏电功耗及电源门控效益，实现在调度中对二者的综合优化；第二阶段，为避免片面优化漏电功耗所导致的硬件资源使用量增加这一现象的出现，申请人拟在调度中采用基于图论的方法对多项资源(运算器、寄存器、互连等)的使用量进行准确地评估，并在调度中实现硬件资源及漏电功耗的同时优化。本项研究成果能够为低漏功耗自动化设计提供算法理论基础，并为低漏功耗高层次综合设计提供新的实用化工具。

随着半导体工艺技术的发展，单位面积中集成的晶体管数量成倍增加，集成电路单位面积的功耗快速增长，使得功耗逐渐成为芯片设计的重要指标之一。与此同时，随着制造工艺的不断精进，漏电功耗所占的比重越来越大。因此诸如双阈值电压技术、电源门控技术等多种低漏功耗设计技术的提出为低漏功耗设计提供了硬件的实现。.本项目的重点是研究适用于双阈值电压技术以及电源门控技术的低漏功耗调度算法。由于调度中难以对各类资源（运算器、寄存器、互连长度）等的使用量进行准确评估，从而导致在调度中进行漏电功耗优化具有较大难度。针对此，本项目首先通过分析操作的工作时长、寄存器中数值的保存时长、预调度及预绑定结果，分别针对运算器、寄存器、互连长度建立了定量分析模型。本项目随后将定量分析问题转化为网络流问题，并采用分而治之的思路对各类规模庞大的问题进行拆分，将NP-hard问题转化为问题规模小很多的多个问题进行求解，从而对各类运算资源数量进行了准确评估。本项目最后基于上述定量分析模型，计算出不同调度结果对漏电功耗的影响，并选择最为合适的结果进行调度。.实验结果表明，在电路设计的最初阶段进行漏电功耗优化能够显著地降低漏电功耗。通过合理的调度和绑定，能够尽可能多地使用低阈值电压的运算器或者尽可能长地关断运算器的电源开关，从而减少设计结果的漏电功耗。此外，调度算法还能够实现对运算器数量、寄存器数量、互连长度等多项设计指标的优化，使调度结果具有更好的应用价值。.本项目探索了在高层次综合的调度中进行漏电功耗优化的可能性，从而拓展了漏电功耗的优化空间，项目成果也有望为低漏功耗调度提供实用化的工具。

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