Sizing discreto baseado em relaxação lagrangeana para minimização de leakage em circuitos digitais

Abstract

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação, Florianópolis, 2013.A minimização da corrente de leakage é um passo essencial do projeto de circuitos digitais, uma vez que nas tecnologias CMOS recentes a potência de leakage tornou-se comparável à potência dinâmica. Gate sizing é uma técnica amplamente utilizada para minimização da potência de leakage devido à sua eficácia e ao baixo impacto que ele causa no fluxo standard cell. Em tal fluxo, o problema de sizing corresponde a selecionar, para cada porta do circuito, uma combinação de largura de porta e tensão de threshold disponível na biblioteca de células, de modo a satisfazer as restrições de projeto. A natureza discreta do problema, a qual o torna NP-difícil, e o grande número de portas nos circuitos contemporâneos têm motivado a busca por heurísticas eficientes, que sejam capazes de resolvê-lo em tempo de execução aceitável. Este trabalho apresenta três contribuições principais ao estado da arte. A primeira é uma formulação aperfeiçoada para o problema de sizing discreto baseada em Relaxação Lagrangeana (LR), a qual considera valores máximos de slew de entrada e de capacitância de saída das portas, impostas pelas bibliotecas standard cell. A segunda é uma heurística topológica gulosa para resolver a formulação LR proposta utilizando informações locais para guiar as decisões do algoritmo. A terceira contribuição reside em uma técnica híbrida de três passos para superar algumas das limitações da heurística topológica gulosa. Tal técnica híbrida inicia resolvendo a formulação LR assumindo um atraso crítico ligeiramente maior do que o atraso crítico-alvo e em seguida, aplica uma heurística rápida de recuperação de atraso para que o atraso crítico-alvo original seja satisfeito. Como terceiro passo, é usada uma heurística de recuperação de potência para reduzir ainda mais a potência de leakage explorando o espaço para otimização deixado pelos dois passos anteriores. Os experimentos práticos foram gerados utilizando-se a infraestrutura da Competição de Sizing Discreto do ISPD2012, a qual provê uma base comum para comparações justas com os trabalhos correlates mais recentes. Os resultados experimentais para a formulação LR usando a heurística topológica gulosa foram comparados com os resultados obtidos pelas três equipes melhor classificadas na Competição do ISPD 2012, os quais representavam o estado da arte no momento em que tais experimentos foram realizados. A potência de leakage obtida é, em média, 18,9%, 16,7% e 43,8% menor do que aquelas obtidas pelas três melhores equipes da Competição do ISPD2012, respectivamente, ao passo que o tempo de execução total é 38, 31 e 39 vezes menor. Com relação à técnica híbrida, a potência de leakage obtida é, em média, 8,15\\\\% menor do que aquela relatada pelo trabalho que representa o estado da arte na ocasião em que estes experimentos foram realizados, sendo o tempo total de execução uma ordem de magnitude menor. É Importante ressaltar que o trabalho estado da arte referido já havia superado as três melhores equipes da Competição do ISPD2012. <br