2021 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 – 2023-03-31
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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 / 混合整数線形計画問題 / セットアップ条件 / ホールド条件 / クロック分配 |
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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、対象回路における信号遅延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補償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、温度依存性を持つ制御スキューの適用を前提としたデータパス回路の設計最適化手法の確立に向けて（１）回路設計問題の明確化し、並びに（２）一つの具体的解法のアプローチとして混合整数線形計画問題としての定式化を導き、市販のソルバーやフリーウエア等を使った回路設計最適化に道を拓いた。
（１）回路設計問題：データパス回路の回路構造とその制御構造（制御の内容と発行タイミング）は「高位合成」と呼ばれる設計段階で決定される。温度依存性を持つ制御スキューの導入を、こうした回路構造と制御タイミングを決める設計段階において同時に考慮することにより、温度依存制御スキューの効果を最大限に高めることが期待できる。こうした観点から、温度依存制御スキューを考慮した高位合成問題の概念を整理・提案した。
（２）混合整数線形計画問題定式化：高位合成は、実装すべき計算アルゴリズム（高位合成への入力記述）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の部分問題を含む。それぞれの部分問題に対応してスケジュール変数、演算器割り当て変数、レジスタ割り当て変数などを用意し、加えて演算器入力部やレジスタ入力部に配置されるマルチプレクサの制御タイミングとレジスタのラッチ制御タイミングに関する制御スキュー変数をも含めて、各部分問題における変数間の制約や部分問題間の相互制約関係を線形代数式として記述できることを示し、温度依存制御スキュー考慮高位合成を一つの混合整数線形計画問題として定式化することに成功した。
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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年目においては、課題４に関係して設計最適化問題の一つの考え方を提示できた。当該年度（第４年度）においては、第３年度の成果を更に精密化し、具体的な設計問題解法までを想定した混合整数線形計画問題として、温度依存制御スキューを考慮した高位合成問題を定式化できた。これにより、市販のソルバーやフリーウエア等を使った回路設計最適化に道を拓くことができた。
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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）に関する混合整数線形計画問題定式化に基づいて、更に設計実験を積み重ねることにより、設計手法の有効性を検証・評価する。
この一方、上述した混合整数線形計画問題定式化に基づく手法では、求解に膨大な時間が要する事が予想され、中～大規模データパス回路設計においては、その適用は難しいと予想される。このため、中～大規模な設計問題に対して計算効率良く準最適解を求める発見的解法についても検討を行う予定である。具体的には、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。
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| Causes of Carryover |
当初の計画では、2021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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