Particionamento de células e pads de I/O em circuitos VLSI 3D

Abstract

A etapa de particionamento em circuitos VLSI 3D é fundamental na distribuição de células e blocos para as camadas do circuito, além de auxiliar na redução da complexidade dos posicionadores. Estes, quando o particionamento é bem realizado, permitem que se atinjam soluções com menor comprimento total de fios, o que reduz a dissipação de potência e aumenta o desempenho dos circuitos. Atualmente, os algoritmos utilizados para resolver o problema de particionamento em circuitos 3D são adaptações daqueles aplicados em circuitos planares. Ou seja, o circuito é particionado como se fosse um hipergrafo tradicional, e as células são assinaladas diretamente para as partições, com o objetivo de reduzir somente as conexões que cruzam as partes. Contudo essa solução é simplista e faz com que o algoritmo não perceba a criação de conexões longas, o que aumenta o número de vias do circuito e, consequentemente, sua área. É importante compreender que o valor dos recursos usados é um múltiplo da distância vertical das camadas. Na verdade, considerando-se que o caminho de uma camada para outra adjacente atravessa todos os níveis de metal, é evidente que qualquer ligação vertical superior à adjacente pode ser proporcionalmente mais custosa para o roteamento, sem mencionar o atraso provocado e o quanto da área ativa é ocupada. Em vista disso, este trabalho apresenta um conjunto de algoritmos desenvolvidos para reduzir o número de vias em circuitos VLSI 3D. A otimização é obtida pelo uso de duas estratégias distintas: a análise prévia da estrutura interna do circuito e a redução do número de conexões verticais não-adjacentes. Os algoritmos propostos, além de reduzir o número de vias-3D, adaptam a lógica dos circuitos 2D para os 3D mantendo o balanceamento de área e dos pinos de I/O entre as diferentes camadas. Os resultados experimentais mostram que essas técnicas reduzem o número total de vias-3D em 19%, 18%, 12% e 16% em duas, três, quatro e cinco tiers, respectivamente, comparados com os resultados das abordagens atuais.

A 3D circuit is the stacking of regular 2D circuits. The advances on the fabrication and packaging technologies allow interconnection of stacked 2D circuits. However, 3D-vias can impose significant obstacles and constraints to the 3D placement problem. Most of the existing placement and partitioning algorithms completely ignore this fact, but they do optimize the number of vias using a min-cut partitioning applied to a generic graph partitioning problem. This work proposes a new approach for I/O pads and cells partitioning addressing 3D-vias reduction and its impact on the 3D circuit design. The approach presents two distinct strategies: the first one is based on circuit structure analyses and the second one reducing the number of connections between nonadjacent tiers. The strategies outperformed a state-of-the-art hypergraph partitioner, hMetis and other approaches by providing a reduction of the number of 3D-vias 19%, 17%, 12% and 16% using two, three, four and five tiers.