關(guān)于芯片的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)熱仿真平臺(tái)搭建

0   引言

為了在芯片設(shè)計(jì)之初就對(duì)總體設(shè)計(jì)進(jìn)行較好的熱性能評(píng)估，借助于熱建模和熱仿真的工具軟件，本文整合出了一套完整的芯片熱仿真流程。

1   原理

1.1 軟件原理

對(duì)芯片進(jìn)行熱建模和熱仿真需要用到開源軟件HotSpot^[1]以及GEM5^[2]，McPAT^[3]。其中3個(gè)軟件之間的關(guān)系可以使用圖1進(jìn)行描述。

HotSpot是一種適用于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究，精確而快速的熱建模軟件。它基于微架構(gòu)模塊和熱封裝對(duì)應(yīng)的電阻和電容等效電路來進(jìn)行仿真迭代求解。該工具基于有限元仿真的求解原理，可以得出設(shè)計(jì)芯片的體系結(jié)構(gòu)模型。此模型可以對(duì)輸入的power進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的熱仿真，得出芯片某一時(shí)刻溫度數(shù)據(jù)的輸出。

GEM5是一款模塊化的離散事件驅(qū)動(dòng)全系統(tǒng)模擬器，可在模擬加載的系統(tǒng)鏡像中運(yùn)行應(yīng)用程序，從而輸出相對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

McPAT是1個(gè)功耗、面積和時(shí)序建模的框架，可以接在GEM5輸出的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)后面計(jì)算出power的數(shù)值，作為模擬實(shí)際應(yīng)用運(yùn)行狀態(tài)的功耗數(shù)據(jù)。

最后，McPAT輸出的power數(shù)據(jù)作為功率數(shù)據(jù)輸入到HotSpot生成的功率模型中，從而將3個(gè)工具有效地結(jié)合起來。整個(gè)流程可以有效地對(duì)芯片模型進(jìn)行仿真，檢測芯片體系結(jié)構(gòu)的性能特性和熱特性，并且可以給后續(xù)對(duì)芯片進(jìn)行類似于Turbo Boost^[4]等的熱管理提供模型支持。

1.2 芯片架構(gòu)

隨著各種新材料和新技術(shù)的出現(xiàn)，芯片上晶體管數(shù)量的規(guī)模在近幾十年不斷增長。

為了獲得更好性能，更多的芯片體系結(jié)構(gòu)被提出來，但是隨著芯片的性能不斷被壓榨出來。多核結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)在近些年被專家提了出來，然而現(xiàn)如今多核結(jié)構(gòu)^[5]和三維結(jié)構(gòu)^[6]在工業(yè)設(shè)計(jì)中仍然具有一定的難度，主要原因在于堆積結(jié)構(gòu)造成了芯片難以解決的散熱問題^[7]。

常規(guī)的芯片結(jié)構(gòu)包括封裝和散熱模塊^[8]，如圖2所示。

多核結(jié)構(gòu)是硅片上的二維結(jié)構(gòu)，三維芯片在結(jié)構(gòu)上是多個(gè)二維結(jié)構(gòu)的堆疊。如圖3所示：

（a）

（b）

圖3 二維的多核結(jié)構(gòu)（a）和三維的多核結(jié)構(gòu)（b）

2   方法

2.1 HotSpot熱建模

在第二部分芯片結(jié)構(gòu)的介紹中，對(duì)于2種芯片結(jié)構(gòu)都需要使用HotSpot進(jìn)行熱建模。HotSpot可以將芯片抽象成網(wǎng)格的模型，并且得出每個(gè)格點(diǎn)之間的關(guān)系（包括熱阻和熱容）。

接下來芯片熱模型就轉(zhuǎn)換成了電路網(wǎng)絡(luò)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，功率被看作電流，溫度被視作電壓。因此輸入功耗求解芯片相應(yīng)溫度就成為了簡單的矩陣求解電路問題。

在HotSpot中，編譯完成之后需要關(guān)注修改幾個(gè)文件，完成對(duì)芯片的描述，詳見表1。

其中，core.flp定義了需要進(jìn)行模擬仿真的芯片結(jié)構(gòu)，這里使用坐標(biāo)和寬高定義芯片中的每個(gè)模塊。在三維芯片中，ic.lcf定義了二維芯片之間的堆疊關(guān)系，例如圖3(b)是2層二維芯片的堆疊，并且使用TIM（熱中間介質(zhì)）進(jìn)行隔絕。而core.ptrace是芯片的輸入功耗，這個(gè)文件中的功耗數(shù)據(jù)是從GEM5和McPAT輸出得來的。功耗數(shù)據(jù)可以按照固定的時(shí)間間隔輸入，相應(yīng)的時(shí)間間隔可以在hotspot.config中進(jìn)行定義，最終通過HotSpot進(jìn)行迭代計(jì)算芯片的瞬態(tài)溫度數(shù)據(jù)。

2.2 GEM5和McPAT生成功率輸入

G E M 5 可以模擬掛載系統(tǒng)鏡像運(yùn)行相應(yīng)的Benchmark，從而輸出模擬系統(tǒng)架構(gòu)的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。GEM5支持包括Alpha、ARM和X86在內(nèi)的多種系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，并且支持多個(gè)線程和多核的設(shè)置，因此在仿真二維多核結(jié)構(gòu)和三維多核的芯片中是非常有效的。在輸出統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)之后，為了根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算出芯片的面積和功耗，此時(shí)使用腳本文件將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)映射到對(duì)應(yīng)McPAT中進(jìn)行計(jì)算，最終可以輸出對(duì)應(yīng)體系結(jié)構(gòu)每個(gè)模塊的功耗數(shù)據(jù)（功耗數(shù)據(jù)是按照應(yīng)用運(yùn)行的時(shí)間順序輸出的）。功耗數(shù)據(jù)輸入到HotSpot建立的熱模型中，從而完成仿真得到溫度數(shù)據(jù)。

2.3 計(jì)算溫度數(shù)據(jù)

將GEM5和McPAT輸出的功耗數(shù)據(jù)加入core.ptrace中作為輸入功耗，再根據(jù)實(shí)際中需要仿真芯片的參數(shù)，修改HotSpot中的配置文件，接下來在終端中執(zhí)行仿真代碼，在HotSpot完成仿真之后，就可以在core.ttrace的文件中讀取瞬態(tài)仿真結(jié)果。

3   實(shí)驗(yàn)結(jié)果

考慮到當(dāng)前芯片的前沿課題，本文對(duì)二維多核芯片結(jié)構(gòu)和三維芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱建模和熱仿真。仿真平臺(tái)的搭建方法使用了前述幾章涉及的內(nèi)容，輸入的應(yīng)用程序是從PARSEC[9]提取出來的Benchmark。仿真時(shí)間間隔是0.000 1 s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果包括二維和三維芯片的溫度分布展示圖，以及二維和三維芯片的仿真溫度曲線。

3.1 二維多核結(jié)構(gòu)

在二維結(jié)構(gòu)中，每個(gè)核輸入相應(yīng)的功耗，此時(shí)使用HotSpot可以仿真出每個(gè)核心的溫度變化曲線，如圖4(a)所示。并且展示出瞬態(tài)溫度曲線第三秒時(shí)刻的整個(gè)芯片溫度分布圖，如圖4(b)所示。

(a)二維多核結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)溫度曲線

(b)二維多核結(jié)構(gòu)(3 s)時(shí)刻的芯片溫度分布圖

圖4 二維多核結(jié)構(gòu)的輸出結(jié)果

3.2 三維多核結(jié)構(gòu)

同樣地，在三維多核結(jié)構(gòu)中，每個(gè)核輸入功耗后，使用HotSpot可以仿真出每個(gè)核心的溫度變化曲線，如圖5(a)所示。并且展示出瞬態(tài)溫度曲線第3 s時(shí)刻的整個(gè)芯片溫度分布圖，如圖5(b)所示。

(a)三維多核結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)溫度曲線

(b)三維多核結(jié)構(gòu)(3 s)時(shí)刻的芯片溫度分布圖

圖5 二維多核結(jié)構(gòu)的輸出結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以得出，使用本文的仿真平臺(tái)可以對(duì)二維多核結(jié)構(gòu)芯片和三維多核結(jié)構(gòu)芯片進(jìn)行有效的熱仿真，通過瞬態(tài)溫度數(shù)據(jù)和任意時(shí)刻的溫度分布的結(jié)果，研究人員可以在設(shè)計(jì)初期對(duì)熱模塊的位置進(jìn)行合理規(guī)劃，以及在后期芯片中加入適宜的管理程序從而有效的提升系統(tǒng)性能和減少熱風(fēng)險(xiǎn)。

4   結(jié)語

隨著芯片發(fā)展到多核芯片和三維結(jié)構(gòu)芯片，芯片中的熱問題變得越來越嚴(yán)重，因此在設(shè)計(jì)初期，借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行熱仿真，可以有效地避免最終電路的設(shè)計(jì)失敗。本文完整搭建了芯片的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)熱仿真平臺(tái)，并且使用該平臺(tái)完成了對(duì)二維多核芯片和三維多核芯片的熱建模和熱仿真。本文建立的熱仿真流程，可以通過調(diào)整芯片的設(shè)計(jì)布局從而降低芯片工作時(shí)的整體平均溫度，從而有效地解決芯片中熱密度過大的問題，并且可以通過模型熱管理來最大化系統(tǒng)性能。文中的熱仿真平臺(tái)上在指導(dǎo)未來芯片設(shè)計(jì)和芯片熱管理研究工作中具有重要的意義。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）