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0 引言

為了在芯片設(shè)計(jì)開始時(shí)對(duì)整體設(shè)計(jì)進(jìn)行更好的熱性能評(píng)估，本文在熱建模和熱模擬工具軟件的幫助下，整合了一套完整的芯片熱模擬過程。

1 原理

1.1 軟件原理

開源軟件需要熱建模和熱仿真芯片HotSpot[1]以及GEM5[2]，McPAT[3]。圖1可以描述三個(gè)軟件之間的關(guān)系。

HotSpot它是一種適用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究、準(zhǔn)確、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進(jìn)行模擬迭代。該工具基于有限元模擬的解決原理，可以得到設(shè)計(jì)芯片的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。該模型可以輸入power對(duì)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)進(jìn)行熱仿真，得到芯片某一時(shí)刻溫度數(shù)據(jù)的輸出。

GEM5.模塊化離散事件驅(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，輸出相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

McPAT它是一個(gè)可以連接到功耗、面積和時(shí)間建模的框架GEM以后計(jì)算輸出統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)power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作為功率數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)HotSpot在生成的功率模型中，有效地結(jié)合了三個(gè)工具。整個(gè)過程可以有效地模擬芯片模型，檢測(cè)芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的性能特性和熱特性，并類似于芯片Turbo Boost[4]熱管理提供模型支持。

1.2 芯片架構(gòu)

近幾十年來，隨著各種新材料、新技術(shù)的出現(xiàn)，芯片上晶體管的數(shù)量不斷增加。

為了獲得更好的性能，提出了更多的芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但隨著芯片的性能不斷被擠壓。近年來，專家提出了多核結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)。然而，多核結(jié)構(gòu)[5]和三維結(jié)構(gòu)[6]在工業(yè)設(shè)計(jì)中仍存在一定的困難，主要原因是芯片難以解決的散熱問題[7]。

傳統(tǒng)的芯片結(jié)構(gòu)包括包裝和散熱模塊[8]。

多核結(jié)構(gòu)是硅片上的二維結(jié)構(gòu)，三維芯片是多個(gè)二維結(jié)構(gòu)的堆疊。

其中，core.flp用坐標(biāo)和寬高定義芯片中的每個(gè)模塊來定義需要模擬的芯片結(jié)構(gòu)。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。并在瞬態(tài)溫度曲線的第三秒顯示整個(gè)芯片溫度分布圖。

(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)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，在三維多核結(jié)構(gòu)中，每個(gè)核輸入功耗后使用HotSpot它可以模擬每個(gè)核心的溫度變化曲線。并顯示第3條瞬態(tài)溫度曲線 s整個(gè)芯片溫度分布圖，。

(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)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)果中可以得出結(jié)論，本文的模擬平臺(tái)可以通過瞬態(tài)溫度數(shù)據(jù)和任何時(shí)刻的溫度，有效地模擬二維多核結(jié)構(gòu)芯片和三維多核結(jié)構(gòu)芯片Integra代理根據(jù)分布結(jié)果，研究人員可以在設(shè)計(jì)初期合理規(guī)劃熱模塊的位置，并在后期芯片中添加適當(dāng)?shù)墓芾沓绦颍�有效提高系統(tǒng)性能，降低熱風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

隨著芯片向多核芯片和三維結(jié)構(gòu)芯片的發(fā)展，芯片中的熱問題越來越嚴(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，可以有效避免最終電路設(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)，利用該平臺(tái)完成了二維多核芯片和三維多核芯片的熱建模和熱仿真。本文建立的熱模擬過程可以調(diào)整芯片的設(shè)計(jì)布局，降低芯片工作時(shí)的整體平均溫度，有效解決芯片中熱密度過高的問題，通過模型熱管理最大化系統(tǒng)性能。熱仿真平臺(tái)在指導(dǎo)芯片設(shè)計(jì)和芯片熱管理研究方面具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] HUANG W,GHOSH S,VELUSAMY S,et al.HotSpot: A compact thermal modeling methodology for early-stage VLSI design[J].IEEE Transactions on very large scale integration (VLSI) systems,2006,14(5):501-513.

[2] QURESHI Y M,SIMON W A,ZAPATER M,et al.Gem5-X: A Gem5-based system level simulation framework to optimize many-core platforms[C].2019 Spring Simulation Conference (SpringSim),IEEE,2019:1-12.

[ 3 ] D U E N H A L , M A D A L O Z Z O G , M O R A E S F G , e t al.Exploiting performance, dynamic power and energy scaling in full‐system simulators[J].Concurrency and Computation: Practice and Experience,2017,29(22):e4034.

[ 4 ] ACUN B , M I L L E R P , K A L E L V . V a r i a t i o n a m o n g p r o c e s s o r s u n d e r t u r b o b o o s t i n h p c s y s t e m s [C] .Proceedings of the 2016 International Conference on Supercomputing,2016:1-12.

[5] ETIEMBLE D.45-year CPU evolution: one law and two equations[J].arXiv preprint arXiv:1803.00254,2018.

[ 6 ] Z H A N G D K , H U A N G C , SON G G Z . S u r v e y o n t h r e e - d i m e n s i o n a l n e t w o r k - o n - c h i p [ J ] . J o u r n a l o f Software,2016,27(1): 155-187.

[7] CAO K,ZHOU J,WEI T,et al.A survey of optimization techniques for thermal-aware 3D processors[J].Journal of Systems Architecture,2019,97:397-415.

[8] 張明.眾核芯片熱建模與功耗管理技術(shù)研究[D].成都：2016年電子科技大學(xué).

[9] BIENIA C,LI K.Benchmarking modern multiprocessors[M].Princeton,NJ:Princeton University, 2011.

(本文來源《IC2020年9月，代理雜志