2020 Fiscal Year Research-status Report
次世代集積回路のための自律的タイミング変動補償の理論と設計最適化
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18K11211
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| Research Institution | Japan Advanced Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
金子 峰雄 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (00185935)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 同期式デジタル回路 / クロックスキュー / 信号伝搬遅延 / 温度依存性 / 線形モデル / セットアップ条件 / ホールド条件 / 高位合成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、クロック信号のフリップフロップへの到着時刻を意図的に変化させるスキュー調整回路を導入し、対象回路の温度依存性の影響を温度依存タイミングスキューにて吸収することによって集積回路の高性能化を達成しようとするものである。当該年度においては、温度依存性のスキュー補償の適用を前提とした対象回路の設計最適化手法の確立に向けた（１）設計問題の定式化、並びに（２）設計最適化のための回路構造列挙の枠組み作りを行った。
（１）温度依存性のスキュー補償の適用を前提とした対象回路の設計最適化問題定式化：本研究の重要で最終的な目的は、特に動作タイミングが非常にクリティカルとなる高性能データパス回路部を対象して、温度依存性のスキュー補償が最も効果的に機能して最高の温度特性を発揮する回路設計最適化手法を確立する事にある。この目的の達成に向けた設計問題の数学的定式化の導出を行った。データパス回路を対象とした設計においては、実装すべき計算アルゴリズムに対して、演算スケジュール、演算の演算器割り当て、データ変数のレジスタ割り当てを行うことで、コンポーネントレベルの回路構造とクロック周期単位での計算実行タイミングとが定まる。ここでは、これらに加えて生成されるマルチプレクサ毎の制御タイミング及びレジスタ毎の制御タイミングに温度依存性を持つタイミングスキューを変数として導入し、全体を一つの最適化問題とする定式化を導くことができた。
（２）演算器コンポーネントの回路構造列挙の枠組み：データパス回路の中心的コンポーネントである加減算器について、信号遅延の温度依存性を考慮した構造最適化の基本となる回路構造列挙の手法を開発した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究にて事業期間中に具体的に取り組む技術課題として、課題１．温度変動に対する信号遅延変動のモデル、課題２．対象回路の温度依存性とスキュー生成のための遅延回路の温度依存性を考慮したスキュースケジュール手法の開発、課題３．温度変動下での高性能化や動作可能温度範囲の拡大を実現する最適な遅延回路温度依存性の探究、課題４．温度依存性のスキュー補償の適用を前提とした対象回路の設計最適化を計画していた。第１年目、第２年目において課題１、課題２、課題３をほぼ解決し、第３年目（当該年度）においては、課題４に関係して設計最適化問題の定式化をほぼ終えることができ、加えてデータパス回路の中心的なコンポーネントの一つである加減算器について回路構造最適化のための枠組みを提示することができた。
最後の課題４について、当該年度にて議論した結果を踏まえ、最適化問題の解法開発、EDA(Electronic Design Automation)ソフトウエア開発、回路合成実験・検証を最終年度にて更に深めることにより、課題１から４までの当初目標の達成度を一層高めることが可能な状況にある。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究にて得られている温度変動に対する信号遅延変動のモデル（課題１）、対象回路の温度依存性とスキュー生成のための遅延回路の温度依存性を考慮したスキュースケジュール手法（課題２）、温度変動下での高性能化や動作可能温度範囲の拡大を実現する最適な遅延回路温度依存性（課題３）を基礎とし、温度依存性のスキュー補償の適用を前提とした対象回路の設計最適化（課題４）に関する設計最適化問題の定式化を前提として、最終年度においては、設計最適化問題の解法を開発し、それをＥＤＡ（Electronic Design Automation）ソフトウエアとして計算機実装を行い、回路合成実験を通して設計手法の有効性を検証・評価する。
データパス回路を対象とし、遅延特性の温度依存性を考慮した回路設計問題は、実装すべき計算アルゴリズムに対する演算スケジュール、演算の演算器割り当て、データ変数のレジスタ割り当て、マルチプレクサ制御タイミング・レジスタ制御タイミングに対するスキュースケジュールを同時最適化する問題となり、その解法として混合整数線形計画法の考え方に基づく手法、焼きなまし法などの解空間探索の考え方に基づく手法、最適解の特徴を利用するグリーディ手法などを候補として検討を進める予定である。また開発した最適化手法を元に回路自動合成用EDAソフトウエア開発を行う。
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| Causes of Carryover |
当初の計画では、2020年度において国際会議や国内会議での研究発表を想定していたが、新型コロナウイルス感染の広がりから、予定の国際会議、国内会議が全てオンライン会議に変更された。会議自体は開催され、論文発表も行うことはできたが、海外出張、国内出張の機会が無くなってしまったことから、未使用分が生じることとなった。
次年度使用については、学生アルバイトなどを活用した設計理論に基づくＥＤＡソフトウエア開発や回路設計実験・検証の充実を図るための実験用計算機システム購入やアルバイト謝金として使途することで当初予定を越える成果を挙げ、論文発表の機会を増やすよう、事業を推進する計画である。
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