本文關鍵詞：基于演化計算的納米電子系統(tǒng)可靠性設計方法研究

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【摘要】：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,使得納米電路存在著嚴重的參數差異。在存在嚴重參數差異的情況下,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)結構的容差異邏輯映射(Variation Tolerant Logic Mapping, 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,使得其器件參數發(fā)生動態(tài)變化。如何使系統(tǒng)在參數變化的情況下仍然能夠工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可能的變化,使得系統(tǒng)在使用過程中,即使器件參數發(fā)生變化,性能也不會大幅降低。本文對這兩種可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結構及其邏輯映射問題。分析了兩種納米Crossbar結構的延時模型：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結構的延時計算�；诮涷炛R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“最小化最大權值和最小化最大權值差二部圖匹配”(Min-max-weight and Min-weight-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-based Linear Programming, HLP),來處理此問題。采用NSGA-Ⅱ算法實施上層優(yōu)化,以實現多目標全局優(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,蒙特卡羅分析法計算代價大但精度高。差分進化算法的前一階段采用端點分析方法來引導進化搜索,以減少適應度評估的計算代價；后一階段,采用蒙特卡羅法來評估個體,以保證最后得到高精度的解。通過這兩種分析方法的有效結合,使算法能較好地實現求解效率和求解質量的折中。實驗結果驗證了所提方法的有效性。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN402

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