基于GPU集群层次式并行计算的3D芯片电热综合分析与综合优化

High temperature and power delivery difficulty are great challenges to the three-dimension (3D) integration technology. Since there are visible influences among power/ voltage/temperature/performance, it is necessary to do efficient and accurate electro-thermal (ET) co-analysis and co-optimization for 3D chips. In order to consider influences among power/ voltage/temperature, for the first time, we have proposed the ET co-analysis method, in which we use iterative computing to refresh three parameters and obtain the accurate solution at last. Furthermore we use the parallel computing to speed up the ET co-analysis. In this project, we plan to study the following algorithms on ET co-analysis and co-optimization for 3D chips based on hierarchical parallel computing resources provided by a GPU cluster. (1) Model the ET co-analysis and co-optimization with considering influences among power/voltage/temperature/ performance. (2) Parallel computing studies on ET co-analysis and co-optimization for 3D chips. (3) With hierarchical parallel computing resources provided by a GPU cluster, we plan to utilize hierarchical parallel computing techniques to algorithm studies on ET co-analysis and co-optimization for 3D chips. (4) Integrate a show-how EDA prototype system for ET co-analysis and co-optimization of 3D chips..This project is one rolling from a completed project. It focuses on working out high-level achievements mainly including 16-20 high-level publications.

高温与供电困难是3D集成技术所面临的重要挑战，由于功耗/电压/温度/性能参数之间存在明显的相互影响，所以必须对3D芯片进行高效而精确的电热综合分析与综合优化。为了考虑功耗/电压/温度之间的相互影响，我们首次提出了电热综合分析方法，对功耗/电压/温度进行迭代更新计算以获得三者的精确解，此外我们还采用了并行计算技术对电热综合分析进行了并行加速。本项目计划开展基于GPU集群层次式并行计算的3D芯片电热综合分析与综合优化的算法研究，内容包括：(1)考虑功耗/温度/电压/性能诸参数之间相互影响的电热综合分析与综合优化的建模，(2)面向3D芯片电热综合分析与综合优化的并行计算方法研究，(3)利用GPU集群的层次式并行计算资源、对3D芯片电热综合分析与综合优化进行并行加速，(4)集成一套EDA工具软件原型系统。.本项目是已结题项目的滚动研究，以出高水平研究成果为目标，预计发表16-20 篇高质量论文。

随着IC工艺逐步接近于特征尺寸缩小的极限，3D集成技术主要具有多工艺集成、高性能、低功耗、高带宽、低芯片尺寸等技术优势，可以作为一种较为现实的备选技术，但如何解决3D-IC多器件层所带来的工作温度高、供电困难这样的问题，则是3D集成技术走向实用的关键，必须在3D芯片电热设计（包括供电设计与散热设计）中加以解决。.为此，自立项以来，本项目组积极组织人力开展预定的研究内容，到目前为止，已完成立项之初所设定的研究目标。基于GPU 集群层次式并行计算，我们开展了3D 芯片电热综合分析与综合优化的算法研究，取得了如下6项研究成果：.(1) P/G网求解算法的GPU并行加速研究，开发了利于GPU加速的并行算法：G_RBSOR和G_ADI ，可以获得近50倍的加速效果；.(2)考虑温度/功耗/热导的3D芯片电热综合分析及其并行加速算法研究，开发了一种单循环、低迭代次数的高效TPG求解算法TPG-Sli_iGPU，将电热综合分析效率提高120X；.(3)考虑电热耦合效应的结构级热分析方法研究，提出了一种模块级热分析方法PS-BloTAM，可以在满足精度要求的前提下，比商用软件快43倍。.(4)考虑电热耦合效应的多核系统芯片电热综合设计方法研究，使用PS-BloTAM算法，对16核处理器的测例3进行温敏布图规划。.(5)基于任务精确预测的高性能芯片实时功耗温度管理方法研究，集成了一个基于负载预测的DPTM原型系统，基于相同的峰值温度约束，比3种对比算法多节能18.7%、6.1%、7.9%。.(6) 基于GPU并行计算的3D芯片温度场可视化研究，集成了一套3D芯片温度场可视化显示原型系统。.在本项目的资助下，本课题组共发表了16篇研究论文，其中计算机学会A类论文5篇，包括SCI检索论文2篇、EI检索论文12篇，按时完成了当初设想的“发表 16-20 篇高水平论文，包括2-3 篇ACM/IEEE/IEICE的 Transactions论文”研究目标。本项目的算法研究不仅得到了大量的算法源码，集成出了用于集成电路电热设计的三维电热分析工具软件原型系统，而且将获得的高性能电热设计并行算法应用到无线传感器网络的低功耗设计中。.在本项目的资助下，本课题组还申请了1项国家专利和2项软件著作权、开发了一套“三维芯片温度场可视化”辅助设计软件。