基于演化计算的纳米电子系统可靠性设计方法研究

发布时间：2017-12-17 01:16

  本文关键词：基于演化计算的纳米电子系统可靠性设计方法研究

  更多相关文章： 纳米器件 纳米 Crossbar 可靠性设计 容差异逻辑映射 多目标优化 鲁棒设计 最差情况分析 进化算法

【摘要】：基于光刻的传统CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)技术在过去的四十年里满足了市场对产品高性能和多功能的需求。然而随着集成器件尺度的不断缩小,该技术目前达到一个发展瓶颈。新兴的纳米电子技术被认为有可能接替CMOS技术并让摩尔定律继续有效一段时间。已经有一些新颖的纳米电子器件被制造出来并得到广泛研究。由于纳米器件极小的尺寸和在新型的纳米制造工艺(比如自组装纳米制造)中的弱控制,使得纳米电路存在着严重的参数差异。在存在严重参数差异的情况下,如何保证最终获得的纳米电子系统仍然满足用户要求的性能?本文研究基于纳米交叉开关矩阵(Crossbar)结构的容差异逻辑映射(Variation Tolerant Logic Mapping, VTLM),是解决该问题的重要途径。此外,纳米电子系统在工作过程中还容易受到温度、电磁、老化等外在因素的影响,使得其器件参数发生动态变化。如何使系统在参数变化的情况下仍然能够工作在让人比较满意的状态?本文研究电子系统的鲁棒设计(Robust Design, RD),是解决该问题的重要途径。容差异逻辑映射和鲁棒设计都属于系统可靠性设计,不同之处在于：容差异逻辑映射是在器件参数差异已知的情况下,基于Crossbar的可重配置特性,通过设计逻辑映射方案来实现符合性能要求的系统。鲁棒设计则是在设计之初就考虑未来器件参数可能的变化,使得系统在使用过程中,即使器件参数发生变化,性能也不会大幅降低。本文对这两种可靠性设计问题进行了系统深入的研究,并提出了相应的处理方法,主要工作和研究成果归纳如下：1.系统地研究了纳米Crossbar结构及其逻辑映射问题。分析了两种纳米Crossbar结构的延时模型：基于二极管Crossbar延时模型和基于场效应管Crossbar延时模型。介绍了两种纳米Crossbar逻辑映射模型：矩阵映射模型和二部图映射模型。2.提出了一种求解纳米Crossbar容差异逻辑映射问题的多目标Memetic算法。分析了容差异逻辑映射问题的多目标问题模型,并讨论了两类Crossbar结构的延时计算。基于经验知识设计了一种贪婪重分配局部搜索算子,引入到NSGA-Ⅱ算法中,得到一种容差异逻辑映射多目标Memetic算法。在大量不同规模测试问题上的实验结果验证了所提出的多目标Memetic算法在处理纳米Crossbar容差异逻辑映射问题上优越性。3.提出将纳米Crossbar容差异逻辑映射建模为双层多目标优化问题,并提出了一种求解该双层优化问题的混合优化算法。将纳米Crossbar容差异逻辑映射建模为双层多目标优化问题,将复杂问题分解为若干相对简单的问题,同时方便不同特性算法的灵活实施。需要频繁处理的下层优化问题被建模为“最小化最大权值和最小化最大权值差二部图匹配”(Min-max-weight and Min-weight-gap Bipartite Matching, MMBM)问题,并设计了一个多项式时间复杂度算法,基于匈牙利算法的线性规划算法(Hungarian-based Linear Programming, HLP),来处理此问题。采用NSGA-Ⅱ算法实施上层优化,以实现多目标全局优化。此外,贪婪重分配局部搜索算子也被引入到NSGA-Ⅱ算法中,以进一步提高算法效率。在大量不同规模测试问题上的实验结果验证了所提方法的有效性和先进性。4.提出了一种基于混合评估的差分进化算法解决鲁棒电路设计问题。混合评估方法由两种“最坏情况分析方法”组成,端点分析法计算代价小但精度差,蒙特卡罗分析法计算代价大但精度高。差分进化算法的前一阶段采用端点分析方法来引导进化搜索,以减少适应度评估的计算代价；后一阶段,采用蒙特卡罗法来评估个体,以保证最后得到高精度的解。通过这两种分析方法的有效结合,使算法能较好地实现求解效率和求解质量的折中。实验结果验证了所提方法的有效性。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN402

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