一种片上供电网络仿真方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种片上供电网络仿真方法及系统。该方法包括：步骤1，读入SPICE网表；步骤2，建立供电网络拓扑图；步骤3，建立矩阵方程Ax＝b，其中A为n×n的电导矩阵，x为供电网络待求解的结点电压向量，b为电流，n为细网格点数；步骤4，利用网格点双重聚合算法求解粗化算子，并利用粗化算子求解矩阵方程。本发明专利技术提出一种更稳定、高效、占用内存更少、且具有线性复杂度的供电网络静态仿真方案，该方案可在在满足用户指定的求解精度情况下，以尽量少的运行时间、尽量少的内存消耗完成对指定SPICE网表格式的供电网络结点电压降分析。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及集成电路设计领域，尤其涉及一种片上供电网络仿真方法及系统。
技术介绍
在超大规模集成电路中，各元器件正常工作的一个重要前提是其能得到正常的供电电压。而实际上，随着集成电路工艺尺寸的不断降低，平面工艺设计下的集成电路供电系统的网络阻抗显得越来越大，供电系统的金属走线上的电压降已经变得不可忽略，即元器件上得到的实际供电电压会小于外部的电源电压。如果供电网络上的电压降过大，就可能使元器件上得到的供电电压过低，导致元器件的时延增加，影响芯片性能，严重时还会引起逻辑错误。随着集成电路设计要求与工艺制造能力的发展，供电网络的设计面临着越来越严峻的挑战，这主要体现在一、芯片制造工艺尺寸不断降低，集成度越来越高，也即是芯片功率密度越来越大，对供电系统的能力提出了越来越高的要求；二、由于低功耗设计和散热方面的考虑，芯片供电电压越来越低，使得供电电压降阈值越来越低；三、由于晶体管的工作电压不断降低，使得其噪声容限变得越来越低，对供电电压降的波动更加敏感；四、供电系统的金属走线也越来越窄，进而使得单位长度上的电阻电容等寄生效应更加显著。因此，供电网络的性能已经成为集成电路设计与优化的一个重要瓶颈，日益受到学术界和工业界的重视。高效、精确的供电网络分析方法，对供电网络的设计与优化有着重要的意义。在供电网络的设计过程中，仿真可以尽早地发现供电网络潜在的问题并进行调整，避免在设计后期再调整时带来很大的设计成本。而目前供电网络的优化流程一般都是迭代地进行的，即在当前设计的基础上根据仿真分析的结果进行调整，得到下一步的设计，重复这样的流程直到得到一个合理的设计结果，这种重复的仿真分析往往是设计过程中比较耗时的部分。因此，一个快速高效的供电网络仿真器则成为供电网络设计与优化的核心。目前广泛使用的供电网络的拓扑结构是一个网格状的拓扑结构，供电网络的静态仿真分析是针对一个纯电阻网络模型，采用经典的结点分析方法，建立一个大规模的线性方程组，通过求解这个线性方程组得到所有结点的电压值，从而可以进一步分析各结点的电压降以及检查电流密度等。供电网络的瞬态分析通常是针对包含电阻、电容和电感的模型，将储能元件电容和电感进行离散化，离散化后的电容和电感元件都可以等效为一个常数电阻并联一个电流源，电流源的大小可以根据上一个时间点的仿真结果得到，通过求解每个时间点上的电路结点电压响应，即可得到供电网络结点电压的动态变化，因此供电网络的瞬态仿真即是一系列的静态仿真，实质上就是求解一系列的线性方程组。基于此，本专利技术只关注如何对供电网络进行快速的静态仿真分析。供电网络可以看作由供电金属走线形成的电阻支路和金属走线交叉点形成的结点组成的网络，通过基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律，整个网络的电学特性满足一系列的线性方程组，此线性方程组可以形式化为矩阵方程，通过稀疏线性系统求解技术可以快速地得到该线性系统的待求向量，也即是供电网络中的结点电压向量。对于目前的高端数字芯片来说，其供电网络系统规模很大，一般在数十兆到数百兆之间，因此对求解器的性能有着很高的要求。传统的方法是采用SPICE仿真器，该仿真器采用LU分解技术对线性系统方程进行直接求解，对于目前数百万结点规模的供电网络仿真来说，其对内存的消耗是极为巨大的，无法对大规模的供电网络进行分析。供电网络系统形式化出来的矩阵方程的系数矩阵具有稀疏、对称、正定以及对角占优等良好性质，目前已有的供电网络分析方法包括多重网格方法、预条件共轭梯度法、层次化方法和随机行走等，但由于设计规模很大，上述方法仍然不能很好地满足实际设计需求。因此，工业界需要研发更高精度、更快速收敛而且更加稳定的供电网络仿真器
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种片上供电网络仿真方法及系统。本专利技术提供了一种片上供电网络仿真方法，包括步骤1，读入SPICE网表；步骤2，建立供电网络拓扑图；步骤3，建立矩阵方程Ax = b，其中ASnXn的电导矩阵，x为供电网络待求解的结点电压向量，b为电流，η为细网格点数；步骤4，利用网格点双重聚合算法求解粗化算子，并利用粗化算子求解矩阵方程。在一个示例中，网格点双重聚合算法包括步骤41,利用网格点单次聚合算法PWA(Α, β )求得不相交集合61,其中i = I,...,η，η。为粗网格点数；步骤42，求得不相交集合Gi = ^ jeGm Gf ,并在代数层次上进行网格点聚合之后得到粗化层次k时的集合Gf，其中i = 1，2，...，<， β ⑴=akl0 2\...,0^=ΡΨΑ{/ι\β) :j 為々 ，A w = Y Y ΩG1'···，% =灣4#)/为强雜稱合因子;為)/南)Μ;步骤43,计算粗化算子< =j ^ 7 ’ i = I,…，nk ; j = I,…， [O otherwise,γζ。在一个示例中，利用粗化算子求解矩阵方程包括步骤44，按照下述公式迭代求解矩阵方程r rI Zk .CCk= ； /， PkMxk+1 = Xk+ a kPk ；rk+1 = rk- a kApk ；如果rk+1< ε则终止迭代并输出供电网络待求解的结点电压向量xk+1，否则继续迭代，ε为预设值；步骤45，按照下述公式更变参数权利要求1.一种片上供电网络仿真方法，其特征在于，包括 步骤1，读入SPICE网表； 步骤2，建立供电网络拓扑图； 步骤3，建立矩阵方程Ax = b，其中A为nXn的电导矩阵，x为供电网络待求解的结点电压向量，b为电流，n为细网格点数； 步骤4，利用网格点双重聚合算法求解粗化算子，并利用粗化算子求解矩阵方程。2.如权利要求I所述的片上供电网络仿真方法，其特征在于，网格点双重聚合算法包括 步骤41,利用网格点单次聚合算法3.如权利要求I所述的片上供电网络仿真方法，其特征在于，利用粗化算子求解矩阵方程包括 步骤44，按照下述公式迭代求解矩阵方程4.如权利要求3所述的片上供电网络仿真方法，其特征在于，zk= Vk+yk+wk，其中AkVk=rk, rk =rk-Akvk ,rk—' =P^rk , = , Yk^1 = AMGprecondOv1, k~l), yk = P1Jh,h=h -Ayk，Ak为粗化层次k上的系数矩阵。5.如权利要求I至4任意一项所述的片上供电网络仿真方法，其特征在于，该方法还包括 步骤5，打印求解后的结点电压向量到指定文件中； 步骤6，利用测试实例测试的运行时间和内存消耗情况； 步骤7，利用测试实例测试的运行时间和内存消耗情况随问题规模增长而增长的趋势。6.一种片上供电网络仿真系统，其特征在于，包括 SPICE网表解析器，用于读入SPICE网表； 电路构建器，用于建立供电网络拓扑图； 线性系统求解器，用于建立矩阵方程Ax = b，其中A为nXn的电导矩阵，X为供电网络待求解的结点电压向量，b为电流，n为细网格点数；利用网格点双重聚合算法求解粗化算子，并利用粗化算子求解矩阵方程。7.如权利要求6所述的片上供电网络仿真系统，其特征在于， 线性系统求解器，用于利用网格点单次聚合算法PWA(A，￠)求得不相交集合Gi,其中i = 1，...，n。，n。为粗网格点数；用于求得不相交集合8.如本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡懿慈，周强，杨建磊，李佐渭，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：