Graphics Processing Unit-Based Computer-Aided Design Algorithms for Electronic Design Automation

The electronic design automation (EDA) tools are a specific set of software that play important roles in modern integrated circuit (IC) design. These software automate the design processes of IC with various stages. Among these stages, two important EDA design tools are the focus of this research: floorplanning and global routing. Specifically, the goal of this study is to parallelize these two tools such that their execution time can be significantly shortened on modern multi-core and graphics processing unit (GPU) architectures. The GPU hardware is a massively parallel architecture, enabling thousands of independent threads to execute concurrently. Although a small set of EDA tools can benefit from using GPU to accelerate their speed, most algorithms in this field are designed with the single-core paradigm in mind. The floorplanning and global routing algorithms are among the latter, and difficult to render any speedup on the GPU due to their inherent sequential nature. This work parallelizes the floorplanning and global routing algorithm through a novel approach and results in significant speedups for both tools implemented on the GPU hardware. Specifically, with a complete overhaul of solution space and design space exploration, a GPU-based floorplanning algorithm is able to render 4-166X speedup, while achieving similar or improved solutions compared with the sequential algorithm. The GPU-based global routing algorithm is shown to achieve significant speedup against existing state-of-the-art routers, while delivering competitive solution quality. Importantly, this parallel model for global routing renders a stable solution that is independent from the level of parallelism. In summary, this research has shown that through a design paradigm overhaul, sequential algorithms can also benefit from the massively parallel architecture. The findings of this study have a positive impact on the efficiency and design quality of modern EDA design flow

Structure discovery techniques for circuit design and process model visualization

Graphs are one of the most used abstractions in many knowledge fields because of the easy and flexibility by which graphs can represent relationships between objects. The pervasiveness of graphs in many disciplines means that huge amounts of data are available in graph form, allowing many opportunities for the extraction of useful structure from these graphs in order to produce insight into the data. In this thesis we introduce a series of techniques to resolve well-known challenges in the areas of digital circuit design and process mining. The underlying idea that ties all the approaches together is discovering structures in graphs. We show how many problems of practical importance in these areas can be solved utilizing both common and novel structure mining approaches. In the area of digital circuit design, this thesis proposes automatically discovering frequent, repetitive structures in a circuit netlist in order to improve the quality of physical planning. These structures can be used during floorplanning to produce regular designs, which are known to be highly efficient and economical. At the same time, detecting these repeating structures can exponentially reduce the total design time. The second focus of this thesis is in the area of the visualization of process models. Process mining is a recent area of research which centers on studying the behavior of real-life systems and their interactions with the environment. Complicated process models, however, hamper this goal. By discovering the important structures in these models, we propose a series of methods that can derive visualization-friendly process models with minimal loss in accuracy. In addition, and combining the areas of circuit design and process mining, this thesis opens the area of specification mining in asynchronous circuits. Instead of the usual design flow, which involves synthesizing circuits from specifications, our proposal discovers specifications from implemented circuits. This area allows for many opportunities for verification and re-synthesis of asynchronous circuits. The proposed methods have been tested using real-life benchmarks, and the quality of the results compared to the state-of-the-art.Els grafs són una de les representacions abstractes més comuns en molts camps de recerca, gràcies a la facilitat i flexibilitat amb la que poden representar relacions entre objectes. Aquesta popularitat fa que una gran quantitat de dades es puguin trobar en forma de graf, i obre moltes oportunitats per a extreure estructures d'aquest grafs, útils per tal de donar una intuïció millor de les dades subjacents. En aquesta tesi introduïm una sèrie de tècniques per resoldre reptes habitualment trobats en les àrees de disseny de circuits digitals i mineria de processos industrials. La idea comú sota tots els mètodes proposats es descobrir automàticament estructures en grafs. En la tesi es mostra que molts problemes trobats a la pràctica en aquestes àrees poden ser resolts utilitzant nous mètodes de descobriment d'estructures. En l'àrea de disseny de circuits, proposem descobrir, automàticament, estructures freqüents i repetitives en les definicions del circuit per tal de millorar la qualitat de les etapes posteriors de planificació física. Les estructures descobertes poden fer-se servir durant la planificació per produir dissenys regulars, que son molt més econòmics d'implementar. Al mateix temps, la descoberta i ús d'aquestes estructures pot reduir exponencialment el temps total de disseny. El segon punt focal d'aquesta tesi és en l'àrea de la visualització de models de processos industrials. La mineria de processos industrials es un tema jove de recerca que es centra en estudiar el comportament de sistemes reals i les interaccions d'aquests sistemes amb l'entorn. No obstant, quan d'aquest anàlisi s'obtenen models massa complexos visualment, l'estudi n'és problemàtic. Proposem una sèrie de mètodes que, gràcies al descobriment automàtic de les estructures més importants, poden generar models molt més fàcils de visualitzar que encara descriuen el comportament del sistema amb gran precisió. Combinant les àrees de disseny de circuits i mineria de processos, aquesta tesi també obre un nou tema de recerca: la mineria d'especificacions per circuits asíncrons. En l'estil de disseny asíncron habitual, sintetitzadors automàtics generen circuits a partir de les especificacions. En aquesta tesi proposem el pas invers: descobrir automàticament les especificacions de circuits ja implementats. Així, creem noves oportunitats per a la verificació i la re-síntesi de circuits asíncrons. Els mètodes proposats en aquesta tesi s'han validat fent servir dades obtingudes d'aplicacions pràctiques, i en comparem els resultats amb els mètodes existents

Algorithmic techniques for physical design : macro placement and under-the-cell routing

With the increase of chip component density and new manufacturability constraints imposed by modern technology nodes, the role of algorithms for electronic design automation is key to the successful implementation of integrated circuits. Two of the critical steps in the physical design flows are macro placement and ensuring all design rules are honored after timing closure. This thesis proposes contributions to help in these stages, easing time-consuming manual steps and helping physical design engineers to obtain better layouts in reduced turnaround time. The first contribution is under-the-cell routing, a proposal to systematically connect standard cell components via lateral pins in the lower metal layers. The aim is to reduce congestion in the upper metal layers caused by extra metal and vias, decreasing the number of design rule violations. To allow cells to connect by abutment, a standard cell library is enriched with instances containing lateral pins in a pre-selected sharing track. Algorithms are proposed to maximize the numbers of connections via lateral connection by mapping placed cell instances to layouts with lateral pins, and proposing local placement modifications to increase the opportunities for such connections. Experimental results show a significant decrease in the number of pins, vias, and in number of design rule violations, with negligible impact on wirelength and timing. The second contribution, done in collaboration with eSilicon (a leading ASIC design company), is the creation of HiDaP, a macro placement tool for modern industrial designs. The proposed approach follows a multilevel scheme to floorplan hierarchical blocks, composed of macros and standard cells. By exploiting RTL information available in the netlist, the dataflow affinity between these blocks is modeled and minimized to find a macro placement with good wirelength and timing properties. The approach is further extended to allow additional engineer input, such as preferred macro locations, and also spectral and force methods to guide the floorplanning search. Experimental results show that the layouts generated by HiDaP outperforms those obtained by a state-of-the-art EDA physical design software, with similar wirelength and better timing when compared to manually designed tape-out ready macro placements. Layouts obtained by HiDaP have successfully been brought to near timing closure with one to two rounds of small modifications by physical design engineers. HiDaP has been fully integrated in the design flows of the company and its development remains an ongoing effort.A causa de l'increment de la densitat de components en els xip i les noves restriccions de disseny imposades pels últims nodes de fabricació, el rol de l'algorísmia en l'automatització del disseny electrònic ha esdevingut clau per poder implementar circuits integrats. Dos dels passos crucials en el procés de disseny físic és el placement de macros i assegurar la correcció de les regles de disseny un cop les restriccions de timing del circuit són satisfetes. Aquesta tesi proposa contribucions per ajudar en aquests dos reptes, facilitant laboriosos passos manuals en el procés i ajudant als enginyers de disseny físic a obtenir millors resultats en menys temps. La primera contribució és el routing "under-the-cell", una proposta per connectar cel·les estàndard usant pins laterals en les capes de metall inferior de manera sistemàtica. L'objectiu és reduir la congestió en les capes de metall superior causades per l'ús de metall i vies, i així disminuir el nombre de violacions de regles de disseny. Per permetre la connexió lateral de cel·les, estenem una llibreria de cel·les estàndard amb dissenys que incorporen connexions laterals. També proposem modificacions locals al placement per permetre explotar aquest tipus de connexions més sovint. Els resultats experimentals mostren una reducció significativa en el nombre de pins, vies i nombre de violacions de regles de disseny, amb un impacte negligible en wirelength i timing. La segona contribució, desenvolupada en col·laboració amb eSilicon (una empresa capdavantera en disseny ASIC), és el desenvolupament de HiDaP, una eina de macro placement per a dissenys industrials actuals. La proposta segueix un procés multinivell per fer el floorplan de blocks jeràrquics, formats per macros i cel·les estàndard. Mitjançant la informació RTL disponible en la netlist, l'afinitat de dataflow entre els mòduls es modela i minimitza per trobar macro placements amb bones propietats de wirelength i timing. La proposta també incorpora la possibilitat de rebre input addicional de l'enginyer, com ara suggeriments de les posicions de les macros. Finalment, també usa mètodes espectrals i de forçes per guiar la cerca de floorplans. Els resultats experimentals mostren que els dissenys generats amb HiDaP són millors que els obtinguts per eines comercials capdavanteres de EDA. Els resultats també mostren que els dissenys presentats poden obtenir un wirelength similar i millor timing que macro placements obtinguts manualment, usats per fabricació. Alguns dissenys obtinguts per HiDaP s'han dut fins a timing-closure en una o dues rondes de modificacions incrementals per part d'enginyers de disseny físic. L'eina s'ha integrat en el procés de disseny de eSilicon i el seu desenvolupament continua més enllà de les aportacions a aquesta tesi

On the number of regular edge labelings

We prove that any irreducible triangulation on n vertices has O (4:6807n ) regular edge labeling,s and that there are irreducible triangulations on n vertices with (3:0426n ) regular edge labelings. Our upper bound relies on a novel application of Shearer's entropy lemma. As an example of the wider applicability of this technique, we also improve the upper bound on the number of 2-orientations of a quadrangulation to O (1:87n ). Keywords: Counting; Regular edge labeling; Shearer's entropy lemm

Algorithmic techniques for physical design : macro placement and under-the-cell routing

With the increase of chip component density and new manufacturability constraints imposed by modern technology nodes, the role of algorithms for electronic design automation is key to the successful implementation of integrated circuits. Two of the critical steps in the physical design flows are macro placement and ensuring all design rules are honored after timing closure. This thesis proposes contributions to help in these stages, easing time-consuming manual steps and helping physical design engineers to obtain better layouts in reduced turnaround time. The first contribution is under-the-cell routing, a proposal to systematically connect standard cell components via lateral pins in the lower metal layers. The aim is to reduce congestion in the upper metal layers caused by extra metal and vias, decreasing the number of design rule violations. To allow cells to connect by abutment, a standard cell library is enriched with instances containing lateral pins in a pre-selected sharing track. Algorithms are proposed to maximize the numbers of connections via lateral connection by mapping placed cell instances to layouts with lateral pins, and proposing local placement modifications to increase the opportunities for such connections. Experimental results show a significant decrease in the number of pins, vias, and in number of design rule violations, with negligible impact on wirelength and timing. The second contribution, done in collaboration with eSilicon (a leading ASIC design company), is the creation of HiDaP, a macro placement tool for modern industrial designs. The proposed approach follows a multilevel scheme to floorplan hierarchical blocks, composed of macros and standard cells. By exploiting RTL information available in the netlist, the dataflow affinity between these blocks is modeled and minimized to find a macro placement with good wirelength and timing properties. The approach is further extended to allow additional engineer input, such as preferred macro locations, and also spectral and force methods to guide the floorplanning search. Experimental results show that the layouts generated by HiDaP outperforms those obtained by a state-of-the-art EDA physical design software, with similar wirelength and better timing when compared to manually designed tape-out ready macro placements. Layouts obtained by HiDaP have successfully been brought to near timing closure with one to two rounds of small modifications by physical design engineers. HiDaP has been fully integrated in the design flows of the company and its development remains an ongoing effort.A causa de l'increment de la densitat de components en els xip i les noves restriccions de disseny imposades pels últims nodes de fabricació, el rol de l'algorísmia en l'automatització del disseny electrònic ha esdevingut clau per poder implementar circuits integrats. Dos dels passos crucials en el procés de disseny físic és el placement de macros i assegurar la correcció de les regles de disseny un cop les restriccions de timing del circuit són satisfetes. Aquesta tesi proposa contribucions per ajudar en aquests dos reptes, facilitant laboriosos passos manuals en el procés i ajudant als enginyers de disseny físic a obtenir millors resultats en menys temps. La primera contribució és el routing "under-the-cell", una proposta per connectar cel·les estàndard usant pins laterals en les capes de metall inferior de manera sistemàtica. L'objectiu és reduir la congestió en les capes de metall superior causades per l'ús de metall i vies, i així disminuir el nombre de violacions de regles de disseny. Per permetre la connexió lateral de cel·les, estenem una llibreria de cel·les estàndard amb dissenys que incorporen connexions laterals. També proposem modificacions locals al placement per permetre explotar aquest tipus de connexions més sovint. Els resultats experimentals mostren una reducció significativa en el nombre de pins, vies i nombre de violacions de regles de disseny, amb un impacte negligible en wirelength i timing. La segona contribució, desenvolupada en col·laboració amb eSilicon (una empresa capdavantera en disseny ASIC), és el desenvolupament de HiDaP, una eina de macro placement per a dissenys industrials actuals. La proposta segueix un procés multinivell per fer el floorplan de blocks jeràrquics, formats per macros i cel·les estàndard. Mitjançant la informació RTL disponible en la netlist, l'afinitat de dataflow entre els mòduls es modela i minimitza per trobar macro placements amb bones propietats de wirelength i timing. La proposta també incorpora la possibilitat de rebre input addicional de l'enginyer, com ara suggeriments de les posicions de les macros. Finalment, també usa mètodes espectrals i de forçes per guiar la cerca de floorplans. Els resultats experimentals mostren que els dissenys generats amb HiDaP són millors que els obtinguts per eines comercials capdavanteres de EDA. Els resultats també mostren que els dissenys presentats poden obtenir un wirelength similar i millor timing que macro placements obtinguts manualment, usats per fabricació. Alguns dissenys obtinguts per HiDaP s'han dut fins a timing-closure en una o dues rondes de modificacions incrementals per part d'enginyers de disseny físic. L'eina s'ha integrat en el procés de disseny de eSilicon i el seu desenvolupament continua més enllà de les aportacions a aquesta tesi.Postprint (published version