IEEE Transactions on CAD | Floorplet：性能感知的Chiplet集成框架

逍遙設(shè)計自動化

引言
在集成電路(IC)設(shè)計領(lǐng)域不斷發(fā)展的背景下，Chiplet作為應(yīng)對摩爾定律挑戰(zhàn)的解決方案逐漸興起。Chiplet是小型的、專用的集成電路，可以組合成更大、更復(fù)雜的系統(tǒng)。這種方法有許多優(yōu)點(diǎn)，包括降低成本、提高可重用性以及集成異構(gòu)組件的能力。然而，設(shè)計高效的Chiplet架構(gòu)也帶來了獨(dú)特的挑戰(zhàn)，特別是在性能優(yōu)化和可靠性方面。
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5 y8 w7 {7 l9 `/ V為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，研究人員開發(fā)了Floorplet框架，用于共同優(yōu)化Chiplet架構(gòu)的平面布局和性能。本文將探討Floorplet的關(guān)鍵組成部分，并展示如何利用它創(chuàng)建更高效、更可靠的Chiplet設(shè)計[1]。


理解Chiplet及其挑戰(zhàn)
3 f' F' U% @' x$ J2 ~在深入了解Floorplet的細(xì)節(jié)之前，了解Chiplet的概念以及為什么在IC設(shè)計行業(yè)越來越受歡迎非常重要。Chiplet是一種集成電路，包含了整個系統(tǒng)功能的一個明確定義的子集。與傳統(tǒng)的單片系統(tǒng)級芯片(SoC)不同，基于Chiplet的架構(gòu)允許更靈活和更具成本效益的設(shè)計。

1 g( \; B  M. B& A  h圖1：基于Chiplet的2.5D封裝架構(gòu)。這張圖展示了使用多Chiplet架構(gòu)的2.5D封裝的組成部分。
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( f! [, q' M$ s9 v" ^8 A, W: m然而，基于Chiplet的設(shè)計也帶來了新的挑戰(zhàn)：

性能下降：Chiplet之間在中介層上的額外物理線長可能導(dǎo)致延遲增加和整體系統(tǒng)性能降低。

可靠性問題：Chiplet集成中使用的先進(jìn)封裝技術(shù)可能引入可靠性問題，如翹曲和凸點(diǎn)應(yīng)力，這些問題可能影響功能并縮短系統(tǒng)的使用壽命。

設(shè)計復(fù)雜性：在基于Chiplet的設(shè)計中平衡性能、成本、面積和可靠性需要復(fù)雜的工具和方法。
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0 u' |# R- g, [9 A4 \Floorplet框架
Floorplet通過提供一套全面的工具來解決這些挑戰(zhàn)，用于設(shè)計和優(yōu)化基于Chiplet的架構(gòu)。該框架由三個主要組成部分組成：
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parChiplet：將現(xiàn)實(shí)的SoC劃分為功能性Chiplet的算法。

simChiplet：用于評估不同平面布局方案對性能影響的模擬平臺。

optChiplet：考慮多個目標(biāo)的平面布局優(yōu)化框架，包括可靠性、成本、面積和性能。
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讓我們詳細(xì)探討每個組成部分。
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1 o/ M( }% Y5 h1 u1. parChiplet：Chiplet生成
& b' D  l& R& f( F; @. {3 a; ?設(shè)計基于Chiplet的系統(tǒng)的第一步是將單片SoC劃分為更小的、功能性的Chiplet。parChiplet通過分析SoC的層次結(jié)構(gòu)并將其劃分為可以獨(dú)立制造和分析的組件來完成這項(xiàng)任務(wù)。

9 H! u( N6 f, ^0 y6 J* n. G圖2：SoC組件的層次樹。這個圖表展示了如何將SoC劃分為功能塊以生成Chiplet。

0 g& l: o0 p3 t2 x* E7 W5 @parChiplet算法在劃分SoC時考慮了幾個因素：
(1) 功能完整性：確保緊密通信的電路宏單元保持在一起。
$ N& A) {' p9 C6 }( V2 s# T4 l(2) 面積約束：控制劃分的粒度，以平衡制造可行性和成本收益。
% f: b4 {/ [9 l(3) 可重用性：創(chuàng)建可作為可重用IP組件用于多個系統(tǒng)的Chiplet。

parChiplet的輸出是一組具有明確定義的功能和面積規(guī)格的Chiplet，這些Chiplet構(gòu)成了基于Chiplet架構(gòu)的基本構(gòu)建塊。
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- S, B& z- f3 X# D  i2. simChiplet：性能評估
- t& j" o+ G4 O+ V7 O$ L) J一旦生成了Chiplet，評估不同平面布局設(shè)計對整體系統(tǒng)性能的影響就變得非常重要。simChiplet是基于Gem5模擬器構(gòu)建的模擬平臺，用于模擬基于Chiplet架構(gòu)的應(yīng)用工作負(fù)載、通信模式和內(nèi)存層次結(jié)構(gòu)。
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1 @- z+ {. L! c6 f( V  ]圖3：嵌入到Gem5平臺的模擬流程。這個圖表展示了simChiplet組件如何與Gem5模擬器集成以評估Chiplet性能。
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4 H1 ~% d& ^  M1 b$ L" J  e; psimChiplet的主要特點(diǎn)包括：
) k, t+ ]5 o4 E# e. u: w$ D(1) 數(shù)據(jù)移動頻率分析：該平臺報告Chiplet對之間的數(shù)據(jù)交換頻率，這對優(yōu)化Chiplet放置非常重要。
(2) 延遲建模：simChiplet結(jié)合了延遲-線長模型，根據(jù)Chiplet在中介層上的物理分離來估計Chiplet之間的通信延遲。
6 {2 Q$ h# ^2 @; Y% c& {7 v; ?(3) 工作負(fù)載模擬：該平臺可以運(yùn)行各種基準(zhǔn)測試，以評估不同Chiplet配置在實(shí)際工作負(fù)載下的性能。
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simChiplet生成的性能數(shù)據(jù)為平面布局優(yōu)化過程提供了寶貴的輸入，使設(shè)計人員能夠就Chiplet放置和互連做出明智的決策。

3. optChiplet：平面布局優(yōu)化
Floorplet框架的核心是optChiplet，這是一個復(fù)雜的平面布局優(yōu)化工具，考慮多個目標(biāo)以產(chǎn)生最佳的Chiplet布局。optChiplet使用數(shù)學(xué)規(guī)劃技術(shù)來平衡各種設(shè)計目標(biāo)和約束。
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圖4：2.5D封裝中的Chiplet平面布局設(shè)計。這張圖展示了Chiplet在硅中介層上放置的例子，說明了平面布局優(yōu)化問題的復(fù)雜性。
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2 E# w% Z% b' [5 }optChiplet中的優(yōu)化過程分為兩個階段：
(1) 主要平面布局：這個階段關(guān)注基本放置，考慮以下因素：
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Chiplet尺寸和方向

線長最小化

面積優(yōu)化

翹曲約束

避免凸點(diǎn)應(yīng)力
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" l" P% X3 D  s7 w6 j( J# x(2) 性能感知平面布局：這個階段結(jié)合simChiplet的性能數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化放置，考慮以下因素：
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Chiplet之間的數(shù)據(jù)移動頻率

通信延遲優(yōu)化

性能與其他目標(biāo)（如面積、成本）之間的權(quán)衡
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; R8 Z& ?6 ^$ @9 l0 l圖5：基于Chiplet架構(gòu)的平面布局設(shè)計（C=16和C=22）。這些圖像比較了主要平面布局解決方案和性能感知平面布局解決方案，展示了Floorplet框架實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)。
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0 S' C5 {, u- x4 s' I7 XoptChiplet使用復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型來表示各種設(shè)計約束和目標(biāo)。例如，包含以下模型：
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翹曲計算：估計由于熱應(yīng)力導(dǎo)致的封裝彎曲。

凸點(diǎn)應(yīng)力：確保熱點(diǎn)凸點(diǎn)周圍有足夠的間距以降低失效風(fēng)險。

成本估算：基于良率和焊接過程等因素計算2.5D封裝的總成本。
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通過同時考慮所有這些因素，optChiplet可以產(chǎn)生有效平衡性能、可靠性和成本的平面布局解決方案。
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實(shí)驗(yàn)結(jié)果和效益
Floorplet框架已在各種基于Chiplet的架構(gòu)上進(jìn)行了測試，相比傳統(tǒng)平面布局方法顯示出顯著的改進(jìn)。一些主要結(jié)果包括：

通信成本減少：Floorplet平均減少了24.81%的Chiplet間通信成本。

性能提升：該框架將完成工作負(fù)載的平均時鐘周期減少了13.18%。

最小面積開銷：性能感知平面布局僅增加了0.86%的總封裝面積，這是為顯著性能提升所做的小幅權(quán)衡。

可靠性增強(qiáng)：通過考慮翹曲和凸點(diǎn)應(yīng)力問題，F(xiàn)loorplet提高了基于Chiplet設(shè)計的整體可靠性。
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圖6：延遲-線長模型。這些圖表顯示了(a)Chiplet之間線長的分布和(b)延遲權(quán)重與線長之間的關(guān)系，這對Floorplet中的性能優(yōu)化非常重要。
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結(jié)論
0 \; c: o' T0 T" J& E2 h7 h. s隨著半導(dǎo)體行業(yè)繼續(xù)推動摩爾定律的邊界，基于Chiplet的架構(gòu)提供了有前途的發(fā)展方向。Floorplet框架為設(shè)計和優(yōu)化這些復(fù)雜系統(tǒng)提供了全面的解決方案，解決了性能、可靠性和成本方面的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

' x* u1 S+ P, K( U通過整合Chiplet劃分、性能模擬和多目標(biāo)平面布局優(yōu)化，F(xiàn)loorplet使設(shè)計人員能夠創(chuàng)建更高效、更可靠的基于Chiplet的架構(gòu)。隨著這項(xiàng)技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，像Floorplet這樣的框架將在塑造集成電路設(shè)計的未來方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，促進(jìn)更強(qiáng)大、更具成本效益的電子系統(tǒng)的開發(fā)。
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參考文獻(xiàn)
[1] S. Chen et al., "Floorplet: Performance-Aware Floorplan Framework for Chiplet Integration," IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, vol. 43, no. 6, pp. 1638-1649, June 2024.
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