基于演化計算的納米電子系統(tǒng)可靠性設計方法研究.pdf

1、基于光刻的傳統(tǒng)CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)技術在過去的四十年里滿足了市場對產(chǎn)品高性能和多功能的需求。然而隨著集成器件尺度的不斷縮小，該技術目前達到一個發(fā)展瓶頸。新興的納米電子技術被認為有可能接替CMOS技術并讓摩爾定律繼續(xù)有效一段時間。已經(jīng)有一些新穎的納米電子器件被制造出來并得到廣泛研究。
　　由于納米器件極小的尺寸和在新型的納米制造工藝（比如自組裝納米制造）中的弱控制

2、，使得納米電路存在著嚴重的參數(shù)差異。在存在嚴重參數(shù)差異的情況下，如何保證最終獲得的納米電子系統(tǒng)仍然滿足用戶要求的性能？本文研究基于納米交叉開關矩陣(Crossbar)結(jié)構(gòu)的容差異邏輯映射（Variation Tolerant LogicMapping，VTLM），是解決該問題的重要途徑。
　　此外，納米電子系統(tǒng)在工作過程中還容易受到溫度、電磁、老化等外在因素的影響，使得其器件參數(shù)發(fā)生動態(tài)變化。如何使系統(tǒng)在參數(shù)變化的情況下仍然能夠工

3、作在讓人比較滿意的狀態(tài)？本文研究電子系統(tǒng)的魯棒設計(Robust Design，RD)，是解決該問題的重要途徑。
　　容差異邏輯映射和魯棒設計都屬于系統(tǒng)可靠性設計，不同之處在于:容差異邏輯映射是在器件參數(shù)差異已知的情況下，基于Crossbar的可重配置特性，通過設計邏輯映射方案來實現(xiàn)符合性能要求的系統(tǒng)。魯棒設計則是在設計之初就考慮未來器件參數(shù)可能的變化，使得系統(tǒng)在使用過程中，即使器件參數(shù)發(fā)生變化，性能也不會大幅降低。本文對這兩種可

4、靠性設計問題進行了系統(tǒng)深入的研究，并提出了相應的處理方法，主要工作和研究成果歸納如下:
　　1.系統(tǒng)地研究了納米Crossbar結(jié)構(gòu)及其邏輯映射問題。分析了兩種納米Crossbar結(jié)構(gòu)的延時模型:基于二極管Crossbar延時模型和基于場效應管Crossbar延時模型。介紹了兩種納米Crossbar邏輯映射模型:矩陣映射模型和二部圖映射模型。
　　2.提出了一種求解納米Crossbar容差異邏輯映射問題的多目標Memetic

5、算法。分析了容差異邏輯映射問題的多目標問題模型，并討論了兩類Crossbar結(jié)構(gòu)的延時計算。基于經(jīng)驗知識設計了一種貪婪重分配局部搜索算子，引入到NSGA-Ⅱ算法中，得到一種容差異邏輯映射多目標Memetic算法。在大量不同規(guī)模測試問題上的實驗結(jié)果驗證了所提出的多目標Memetic算法在處理納米Crossbar容差異邏輯映射問題上優(yōu)越性。
　　3.提出將納米Crossbar容差異邏輯映射建模為雙層多目標優(yōu)化問題，并提出了一種求解該雙

6、層優(yōu)化問題的混合優(yōu)化算法。將納米Crossbar容差異邏輯映射建模為雙層多目標優(yōu)化問題，將復雜問題分解為若干相對簡單的問題，同時方便不同特性算法的靈活實施。需要頻繁處理的下層優(yōu)化問題被建模為“最小化最大權(quán)值和最小化最大權(quán)值差二部圖匹配”（Min-max-weight and Minweight-gap Bipartite Matching，MMBM）問題，并設計了一個多項式時間復雜度算法，基于匈牙利算法的線性規(guī)劃算法（Hungarian

7、-based LinearProgramming，HLP），來處理此問題。采用NSGA-Ⅱ算法實施上層優(yōu)化，以實現(xiàn)多目標全局優(yōu)化。此外，貪婪重分配局部搜索算子也被引入到NSGA-Ⅱ算法中，以進一步提高算法效率。在大量不同規(guī)模測試問題上的實驗結(jié)果驗證了所提方法的有效性和先進性。
　　4.提出了一種基于混合評估的差分進化算法解決魯棒電路設計問題。混合評估方法由兩種“最壞情況分析方法”組成，端點分析法計算代價小但精度差，蒙特卡羅分析法計