超大規模集成電路多層繞障Steiner最小樹構造方法

2023-06-25 02:38:06

超大規模集成電路多層繞障Steiner最小樹構造方法
【專利摘要】本發明涉及一種超大規模集成電路多層繞障Steiner最小樹構造方法，包括以下步驟：1、讀取基準測試電路網絡數據；2、初始化種群規模、迭代次數等參數，並隨機產生初始種群；3、採用粒子更新公式更新每個粒子的位置和速度；4、採用基於懲罰機制的適應度計算函數計算新粒子的適應度值，並判斷新粒子的適應度值是否小於粒子的歷史最優值，是則將新粒子更新為粒子的歷史最優粒子；5、判斷新粒子的適應度值是否小於種群的全局最優值，是則將新粒子更新為種群的全局最優粒子；6、判斷是否滿足迭代終止條件，是則輸出最終的布線樹，否則返回步驟3進行下一次迭代。該方法有利於降低布線總代價，提高布線樹的質量。
【專利說明】超大規模集成電路多層繞障Steiner最小樹構造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於集成電路計算機輔助設計【技術領域】，具體涉及一種X結構下帶粒子群優化的超大規模集成電路多層繞障Steiner最小樹構造方法。
【背景技術】
[0002]超大規模集成電路(very large scale integration, VLSI)設計中多層繞障X結構 Steiner 最小樹(multilayer obstacle-avoiding X-architecture Steiner minimaltree, ML-OAXSMT)問題是給定布線層上一系列布線引腳和障礙物集合,通過X結構邊連接每個布線層上的引腳且布線層之間藉助通孔連接，在布線邊和通孔不穿越障礙物的約束下，構建布線總代價最小的Steiner樹。ML-0AXSMT問題是考慮到障礙物、X結構、多層等三個條件的Steiner最小樹模型。
[0003]Steiner最小樹作為ML-0AXSMT問題的基礎模型是布線中多端線網連接的最佳模型。近年來超大規模集成電路設計中晶片會存在宏單元、IP預布好的線網等布線障礙物，在此基礎上考慮到障礙物的Steiner最小樹問題受到廣泛的關注。單層繞障Steiner最小樹的構建方法主要包含四類:先構造再替換法、不確定性算法、基於生成圖的方法、精確算法。第一種方法主要是在不考慮障礙物的情況下先構建布線端點集合的Steiner最小樹，然後對其中穿過障礙物的邊替換成經過障礙物邊界的布線邊，該類算法過程簡單，但容易獲得較低質量的布線方案。不確定性算法是基於一些元啟發式策略的，主要包括基於局部搜索的蟻群算法和基於粒子群優化算法。很多繞障算法都屬於第三類基於生成圖的方法，其中生成圖一般包含引腳端點和部分障礙物端點，在一定程度上減低了問題求解空間的複雜度，並在此基礎上取得線長與運行時間較為折中的方案。第四種方法是能夠得到準確方案的精確算法，主要是基於GeoSteiner方法的兩階段算法，首先構造考慮障礙的完全Steiner樹(full Steiner trees,FSTs),繼而構建整數規劃模型並利用分支定界策略從中選取若干FSTs用於構建最後的考慮障礙物的矩形Steiner最小樹。
[0004]目前關於布線樹的相關研究工作主要集中在曼哈頓結構，但基於曼哈頓結構進行線長與時延的優化，由於其布線走向有限，不能夠充分地利用布線區域，導致互連線資源的過分冗餘。故基於曼哈頓結構的優化策略在進行互連線線長優化時，其優化能力受限。因此，有必要從根本入手，改變傳統的曼哈頓結構，故研究人員開始嘗試以非曼哈頓結構為基礎模型進行布線，實現晶片整體性能的優化。學者提出了在X結構下的布線樹和布線算法的一些挑戰和機遇，同時給出該結構下良好的展望，並指出在X結構下，Steiner最小樹問題仍是最為關鍵的問題之一。學者對能帶來可觀的線長減少量等物理設計指標提高的非曼哈頓結構已展開研究，特別是出現專門的工業聯盟推廣X結構，為這樣的研究提供實現和驗證基礎。但對於能帶來線長、通孔、功耗等目標優化的非曼哈頓結構的繞障工作研究較少。
[0005]隨著集成電路設計進入納米領域，布線金屬層數增加，線寬大幅度減少，而連線間距也大幅度減小，使電路的性能和密度得到了很大的提高，因此多層布線應運而生，並且引起了諸多研究機構的廣泛關注。目前多層Steiner最小樹工作大多集中在基於曼哈頓結構，即求解多層矩形Steiner最小樹的構建問題。而對於非曼哈頓結構下多層繞障Steiner最小樹的構建工作是考慮到線長和通孔數的優化，分別對每個布線層進行繞障Steiner最小樹的構建工作，再為每兩個毗鄰布線層尋找最短的連接路徑。但該方法將多層繞障Steiner最小樹問題轉換為多個單層繞障Steiner最小樹問題,未能從多層結構的全局角度尋找解方案，很大程度影響布線解的質量。

【發明內容】

[0006]本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種超大規模集成電路多層繞障Steiner最小樹構造方法，該方法有利於降低布線總代價，提高布線樹的質量。
[0007]為實現上述目的，本發明的技術方案是:一種超大規模集成電路多層繞障Steiner最小樹構造方法,包括以下步驟:
步驟1:讀取基準測試電路網絡數據，並按照層數和坐標大小進行升序排序；
步驟2:初始化種群規模、迭代次數等參數，對優化參數進行編碼並隨機產生初始種
群;
步驟3:採用粒子更新公式更新每個粒子的位置和速度，得到新粒子；
步驟4:採用基於懲罰機制的適應度計算函數計算新粒子的適應度值，並判斷新粒子的適應度值是否小於粒子的歷史最優值，是則將新粒子更新為粒子的歷史最優粒子，並轉步驟5，否則直接轉步驟5;
步驟5:判斷新粒子的適應度值是否小於種群的全局最優值，是則將新粒子更新為種群的全局最優粒子，並轉步驟6，否則直接轉步驟6 ；
步驟6:判斷是否滿足迭代終止條件，是則輸出最終的布線樹，否則返回步驟3進行下一次迭代。
[0008]進一步的，該方法採用適合X結構和多層布線的邊點對編碼方法對X結構多層Steiner樹進行編碼:用布線樹的邊集合編碼相應的Steiner樹,每條邊的編碼採用四位數字串表示，前兩位表示邊所連接兩引腳的引腳編號，第三位走線方式位/75/7C表示邊的偽Steiner點選擇方式，最後一位用以記錄布線邊走線是否穿越障礙物及其產生的通孔數，正數代表未穿越障礙物，負數代表穿越障礙物，數值大小代表通孔數。
[0009]進一步的，所述基於懲罰機制的適應度計算函數AOO為:
【權利要求】
1.一種超大規模集成電路多層繞障Steiner最小樹構造方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟1:讀取基準測試電路網絡數據，並按照層數和坐標大小進行升序排序； 步驟2:初始化種群規模、迭代次數等參數，對優化參數進行編碼並隨機產生初始種群; 步驟3:採用粒子更新公式更新每個粒子的位置和速度，得到新粒子； 步驟4:採用基於懲罰機制的適應度計算函數計算新粒子的適應度值，並判斷新粒子的適應度值是否小於粒子的歷史最優值，是則將新粒子更新為粒子的歷史最優粒子，並轉步驟5，否則直接轉步驟5; 步驟5:判斷新粒子的適應度值是否小於種群的全局最優值，是則將新粒子更新為種群的全局最優粒子，並轉步驟6，否則直接轉步驟6 ； 步驟6:判斷是否滿足迭代終止條件，是則輸出最終的布線樹，否則返回步驟3進行下一次迭代。
2.根據權利要求1所述的超大規模集成電路多層繞障Steiner最小樹構造方法，其特徵在於，該方法採用適合X結構和多層布線的邊點對編碼方法對X結構多層Steiner樹進行編碼:用布線樹的邊集合編碼相應的Steiner樹，每條邊的編碼採用四位數字串表示，前兩位表示邊所連接兩引腳的引腳編號，第三位走線方式位表示邊的偽Steiner點選擇方式，最後一位用以記錄布線邊走線是否穿越障礙物及其產生的通孔數，正數代表未穿越障礙物，負數代表穿越障礙物，數值大小代表通孔數。
3.根據權利要求2所述的超大規模集成電路多層繞障Steiner最小樹構造方法，其特徵在於，所述基於懲罰機制的適應度計算函數為:F
4.根據權利要求3所述的超大規模集成電路多層繞障Steiner最小樹構造方法，其特徵在於，所述粒子更新公式為:
5.根據權利要求4所述的超大規模集成電路多層繞障Steiner最小樹構造方法,其特徵在於，該方法在進入迭代過程之前，預計算所有可能走線邊的走線狀態位並存儲，在進行迭代時直接查詢所需要的走線狀態位的數值，以降低走線狀態位的計算次數。
【文檔編號】G06F17/50GK103902775SQ201410124000
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月31日 優先權日:2014年3月31日
【發明者】郭文忠, 陳國龍, 劉耿耿 申請人:福州大學