關(guān)于芯片的計算機輔助設計熱仿真平臺搭建

0   引言

為了在芯片設計之初就對總體設計進(jìn)行較好的熱性能評估，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

對芯片進(jìn)行熱建模和熱仿真需要用到開(kāi)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是一種適用于計算機體系結構研究，精確而快速的熱建模軟件。它基于微架構模塊和熱封裝對應的電阻和電容等效電路來(lái)進(jìn)行仿真迭代求解。該工具基于有限元仿真的求解原理，可以得出設計芯片的體系結構模型。此模型可以對輸入的power進(jìn)行穩態(tài)和瞬態(tài)的熱仿真，得出芯片某一時(shí)刻溫度數據的輸出。

GEM5是一款模塊化的離散事件驅動(dòng)全系統模擬器，可在模擬加載的系統鏡像中運行應用程序，從而輸出相對應的統計數據。

McPAT是1個(gè)功耗、面積和時(shí)序建模的框架，可以接在GEM5輸出的統計數據后面計算出power的數值，作為模擬實(shí)際應用運行狀態(tài)的功耗數據。

最后，McPAT輸出的power數據作為功率數據輸入到HotSpot生成的功率模型中，從而將3個(gè)工具有效地結合起來(lái)。整個(gè)流程可以有效地對芯片模型進(jìn)行仿真，檢測芯片體系結構的性能特性和熱特性，并且可以給后續對芯片進(jìn)行類(lèi)似于Turbo Boost^[4]等的熱管理提供模型支持。

1.2 芯片架構

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

為了獲得更好性能，更多的芯片體系結構被提出來(lái)，但是隨著(zhù)芯片的性能不斷被壓榨出來(lái)。多核結構和三維結構在近些年被專(zhuān)家提了出來(lái)，然而現如今多核結構^[5]和三維結構^[6]在工業(yè)設計中仍然具有一定的難度，主要原因在于堆積結構造成了芯片難以解決的散熱問(wèn)題^[7]。

常規的芯片結構包括封裝和散熱模塊^[8]，如圖2所示。

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

（a）

（b）

圖3 二維的多核結構（a）和三維的多核結構（b）

2   方法

2.1 HotSpot熱建模

在第二部分芯片結構的介紹中，對于2種芯片結構都需要使用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(lái)芯片熱模型就轉換成了電路網(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溫度就成為了簡(jiǎn)單的矩陣求解電路問(wèn)題。

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

其中，core.flp定義了需要進(jìn)行模擬仿真的芯片結構，這里使用坐標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)文件中的功耗數據是從GEM5和McPAT輸出得來(lái)的。功耗數據可以按照固定的時(shí)間間隔輸入，相應的時(shí)間間隔可以在hotspot.config中進(jìn)行定義，最終通過(guò)HotSpot進(jìn)行迭代計算芯片的瞬態(tài)溫度數據。

2.2 GEM5和McPAT生成功率輸入

G E M 5 可以模擬掛載系統鏡像運行相應的Benchmark，從而輸出模擬系統架構的運行統計數據。GEM5支持包括Alpha、ARM和X86在內的多種系統體系結構，并且支持多個(gè)線(xiàn)程和多核的設置，因此在仿真二維多核結構和三維多核的芯片中是非常有效的。在輸出統計數據之后，為了根據數據計算出芯片的面積和功耗，此時(shí)使用腳本文件將統計數據映射到對應McPAT中進(jìn)行計算，最終可以輸出對應體系結構每個(gè)模塊的功耗數據（功耗數據是按照應用運行的時(shí)間順序輸出的）。功耗數據輸入到HotSpot建立的熱模型中，從而完成仿真得到溫度數據。

2.3 計算溫度數據

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

3   實(shí)驗結果

考慮到當前芯片的前沿課題，本文對二維多核芯片結構和三維芯片結構進(jìn)行了熱建模和熱仿真。仿真平臺的搭建方法使用了前述幾章涉及的內容，輸入的應用程序是從PARSEC[9]提取出來(lái)的Benchmark。仿真時(shí)間間隔是0.000 1 s。實(shí)驗結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(xiàn)。

3.1 二維多核結構

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

(a)二維多核結構的瞬態(tài)溫度曲線(xiàn)

(b)二維多核結構(3 s)時(shí)刻的芯片溫度分布圖

圖4 二維多核結構的輸出結果

3.2 三維多核結構

同樣地，在三維多核結構中，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(xiàn)，如圖5(a)所示。并且展示出瞬態(tài)溫度曲線(xiàn)第3 s時(shí)刻的整個(gè)芯片溫度分布圖，如圖5(b)所示。

(a)三維多核結構的瞬態(tài)溫度曲線(xiàn)

(b)三維多核結構(3 s)時(shí)刻的芯片溫度分布圖

圖5 二維多核結構的輸出結果

從實(shí)驗結果中可以得出，使用本文的仿真平臺可以對二維多核結構芯片和三維多核結構芯片進(jìn)行有效的熱仿真，通過(guò)瞬態(tài)溫度數據和任意時(shí)刻的溫度分布的結果，研究人員可以在設計初期對熱模塊的位置進(jìn)行合理規劃，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性能和減少熱風(fēng)險。

4   結語(yǔ)

隨著(zhù)芯片發(fā)展到多核芯片和三維結構芯片，芯片中的熱問(wèn)題變得越來(lái)越嚴重，因此在設計初期，借助計算機輔助設計進(jìn)行熱仿真，可以有效地避免最終電路的設計失敗。本文完整搭建了芯片的計算機輔助設計熱仿真平臺，并且使用該平臺完成了對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(guò)調整芯片的設計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(guò)大的問(wèn)題，并且可以通過(guò)模型熱管理來(lái)最大化系統性能。文中的熱仿真平臺上在指導未來(lái)芯片設計和芯片熱管理研究工作中具有重要的意義。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）