BC/NW 2012; №2 (21):2.2

 

МЕТОДЫ АНАЛИЗА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ МИКРОПРОЦЕССОРА

 

Ключников А.М., Логинов В.А.

 

При разработке современного микропроцессора (МП) инженеры обычно сталкиваются с большими проблемами. Прежде всего, необходимо разработать такой микропроцессор, который по основным показателям не уступает уже существующим приборам. В связи с этим  необходимо как можно на более ранней стадии проектирования суметь рассчитать наиболее существенные параметры разрабатываемого микропроцессора. К таким параметрам относятся следующие:  площадь кристалла, тактовая частота (задержка на критических путях), потребляемая мощность и производительность. Особенно остро проблема расчета перечисленных характеристик проявляется тогда, когда необходимо разработать микропроцессор с новой архитектурой, которая призвана существенно увеличить скорость выполнения задач.

Рассмотрим методы, которые на основе спецификации разрабатываемого процессора позволят рассчитать его основные параметры. Предложенные методы должны предоставлять возможность быстрого перерасчета параметров при изменении спецификации, а также предусматривать возможность расчета для разных технологических процессов. Знание значений основных параметров микропроцессора на ранней стадии поможет принять важные решения в процессе проектирования.

При разработке методов необходимо учитывать некоторые требования и ограничения. Первое, что необходимо учитывать, это штат сотрудников, который работает над разработкой нового микропроцессора. Второе: при разработке новой микроархитектуры процессора отсутствуют предыдущие исследования и разработки этой микроархитектуры. Имеются только отдельные оценочные данные, которые надо опровергнуть или подтвердить, чтобы предложить новое решение, которое позволит достигнуть необходимых результатов. Третье ограничение: оценить параметры нового микропроцессора на этапе эскизного проектирования можно только опираясь на данные о разработанных современных универсальных микропроцессорах и используя схемы существующих функциональных узлов и устройств. Наконец, четвертое: расчет параметров должен быть произведен для современной технологии проектирования, должен обеспечивать поддержку перерасчета параметров при изменении таких факторов,  как технологический процесс, напряжение питания и тактовая частота.

Предлагаемый в данной работе метод расчета площади кристалла МП на начальной стадии проектирования заключается в следующем: оценка параметров нового микропроцессора осуществляется на основе параметров других (уже известных) МП на разных стадиях проектирования [1]. Эти МП будут считаться базовыми. Каждый базовый проект делится на типичные функциональные устройства (сумматор, умножитель, массив памяти и тому подобные). Далее определяется площадь каждого функционального устройства, а также его влияние на производительность и суммарную мощность МП. Полученная информация заносится в единую базу данных (БД), структура которой позволяет сравнивать параметры функциональных устройств (ФУ) базовых МП. На её основе можно оценить параметры МП с новой архитектурой.

По итогам проделанной работы мы получим базу данных, в которую будет занесена информация обо всех ФУ базовых процессоров, а именно: какую функцию выполняет данное устройство, характеристики этого устройства, такие как число портов, разрядность обрабатываемых данных, объем памяти, число таких устройств в процессоре и площадь этого устройства. Если в других процессорах есть устройство, которое выполняет такую же функцию, то это также будет отражено в базе данных.  Далее на спецификации нового процессора будет поставлено соответствие между устройствами из базы данных и устройствами нового процессора, если в новом процессоре есть устройство, которое выполняет такую же функцию. На основе информации из БД об устройствах, выполняющих одну и ту же функцию, но использованных в разных базовых МП реализованы необходимые операции для обработки информации в БД: сравнение площади функциональных устройств процессоров; расчет площади МП на разных технологиях, частотах и напряжениях питания; расчет площади функциональных устройств МП с новой архитектурой.

Полученные данные о площади всех ФУ загружаются в САПР для разработки архитектурного плана кристалла, где происходит размещение устройств друг относительно друга для расчета длины линий связи и их трассировки.

После того, как определены площади ФУ микропроцессора и разработан архитектурный план необходимо рассчитать задержки на основных критических путях.

Основная сложность расчета задержки на критическом пути заключается в расчете задержки линии связи. Чтобы оценить основные параметры линии связи (длина, технологический процесс, характеристики металла трассировки), необходимо иметь архитектурный план процессора. Только после этого можно оценить длину линий связи межу устройствами.

На основе архитектурного плана с использованием средств САПР производится автоматическая трассировка основных линий передачи данных. Причем, трассировка производится на выбранном технологическом процессе. По результатам трассировки можно получить длину линий передачи данных, определить слой металла, в котором произошла трассировка.

Путем расчета задержки функционального устройства необходимо выявить наиболее важные критические пути, после чего составить логическую схему устройства до уровня библиотечных логических элементов с обозначением критического пути. Затем нужно посчитать суммарную задержку каждого элемента, входящего в критический путь, и прибавить задержку линий передачи данных, полученную из архитектурного плана.

После анализа полученных задержек, в случае  если они не удовлетворяют заданным условиям, необходимо произвести их оптимизацию. Например, уменьшить задержки функционального устройства за счет использования более быстрых логических элементов, применить более быструю схему функционального устройства, уменьшить длину линий передачи данных или изменить ее характеристики. При изменении длины линии передачи данных необходимо устройства расположить как можно ближе друг к другу на архитектурном плане. Но при оптимизации длины одних линий неизбежно проявится увеличение длин других линий. Помимо этого, можно изменить характеристики линии: выбрать слой металлизации, в котором задержка будет меньше, увеличить ширину линии, либо расстояние между соседними линиями, либо экранировать каждую линию. После подобной оптимизации необходимо будет заново провести трассировку линий передачи данных.

Ясно, что предложенные варианты оптимизации потребуют поиска соответствующего компромисса для получения приемлемого результата. В итоге может понадобиться несколько итераций, чтобы полученная задержка на критическом пути удовлетворяла необходимым требованиям.

Отличительной особенностью рассматриваемого метода по расчету задержки является то, что расчет задержек линий связи происходит на основе архитектурного плана, построенного на определенном технологическом процессе. Таким образом, учитываются физические свойства линии связи, что обеспечивает высокую точность оценки на ранней стадии проектирования.

Одновременно с разработкой методов для оценки площади и задержек на критических путях необходимо разработать имитационную модель (потактовый  симулятор) разрабатываемого МП для расчета и анализа производительности.

Симулятор, в конечном счете, необходим для исследования производительности разрабатываемого микропроцессора в целом. Для этого симулятор должен четко моделировать работу основных функциональных устройств и алгоритмов микропроцессора.

Симулятор – это программный продукт, который разрабатывается на языке высокого уровня С/С++ и имеет модульную структуру. Каждый модуль симулятора, в свою очередь, делится на функциональные устройства. В симуляторе имеется возможность легко менять характеристики ФУ для исследования их производительности. Таким образом, симулятор микропроцессора моделирует работу всех основных устройств процессора, временные задержки устройств и линий передачи данных. Основной сложностью при разработке симулятора является разработка алгоритмов работы устройств проектируемого МП.

Данные, полученные при расчете задержек на критических путях, используются как одна из характеристик ФУ, описанных в симуляторе. Затем проводится оценка производительности на определенном наборе тестов. Полученные данные о производительности анализируются и сравниваются с данными симулятора уже разработанного суперскалярного микропроцессора.

В результате проведения расчетов определяются такие существенные параметры современного микропроцессора, как площадь кристалла, тактовая частота, производительность. Имея эти данные, можно будет принять важные решения по разработке микроархитектуры процессора. Также на основе этих данных можно сравнить параметры нового процессора с параметрами ранее разработанных устройств, вычислить различные соотношения между полученными параметрами.

Если один из параметров не удовлетворяет заданным требованиям, то предложенные методы анализа позволят произвести быстрый перерасчет основных параметров на новой спецификации. Таким образом, за приемлемое время можно рассчитать параметры процессора с разными спецификациями, сравнить параметры каждой спецификации между собой, а также со значениями параметров уже разработанных микропроцессоров.

Литература

1.     Ключников А.М. Метод расчета площади кристалла микропроцессора на начальной стадии проектирования. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика // Шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. В 3-х томах. Т.1.  М.: Издательский дом МЭИ, 2010.