Discrete Gate Sizing Methodologies for Delay, Area and Power Optimization

The modeling of an individual gate and the optimization of circuit performance has long been a critical issue in the VLSI industry. In this work, we first study of the gate sizing problem for today\u27s industrial designs, and explore the contributions and limitations of all the existing approaches, which mainly suffer from producing only continuous solutions, using outdated timing models or experiencing performance inefficiency. In this dissertation, we present our new discrete gate sizing technique which optimizes different aspects of circuit performance, including delay, area and power consumption. And our method is fast and efficient as it applies the local search instead of global exhaustive search during gate size selection process, which greatly reduces the search space and improves the computation complexity. In addition to that, it is also flexible with different timing models, and it is able to deal with the constraints of input/output slew and output load capacitance, under which very few previous research works were reported. We then propose a new timing model, which is derived from the classic Elmore delay model, but takes the features of modern timing models from standard cell library. With our new timing model, we are able to formulate the combinatorial discrete sizing problem as a simplified mathematical expression and apply it to existing Lagrangian relaxation method, which is shown to converge to optimal solution. We demonstrate that the classic Elmore delay model based gate sizing approaches can still be valid. Therefore, our work might provide a new look into the numerous Elmore delay model based research works in various areas (such as placement, routing, layout, buffer insertion, timing analysis, etc.)

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

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. 2013-12-05T23:12:19