龙芯1号处理器结构级功耗评估有效性分析

结合龙芯1号处理器实际设计过程,介绍了处理器功耗评估的方法和功耗模型,分别对结构级、电路级功耗评估和实际芯片3种情况进行测试程序仿真.经过量化分析和比较表明:结构级功耗评估具有仿真速度快、评估结果误差和测试程序相关,并且同一测试程序误差能够追随电路级功耗评估等特点,说明了龙芯1号处理器进行结构级功耗评估的有效性.采用该方法可显著提高低功耗处理器结构的设计效率.     

高性能通用处理器中的漏电功耗优化

针对高性能通用处理器的结构特性及设计特点,指出了由于在高性能通用处理器中存在发射宽度较大、数据通路规整的基本特点,其大多数电路中的堆叠效应依然明显存在．由此结合一款高性能通用处理器——龙芯2号的具体设计,对该处理器主要数据通路模块进行了输入向量控制,并提出以“直接观察法”、“有效分解法”、“操作数隔离复用法”、“模拟退火算法”等多种技术思想为基础的电路最小漏电功耗分析及优化的实用性方法．实验结果表明,以上方案能够使得处理器的主要数据通路的漏电功耗减少近27％,同时模拟退火算法与以往的随机算法以及遗传算法相比在寻找电路最小漏电功耗的全局搜索能力上具有优势．     

可重配置处理器的体系结构级功耗模型与分析

按照可重配置处理器的体系结构建立并实现功耗模型;模型对处理器的电路级特性进行抽象,基于体系结构级属性和工艺参数进行静态峰值功耗估算,基于性能模拟器进行动态功耗统计,并实现三种条件时钟下的门控技术;可重配置处理器与超标量通用微处理器相比,在性能方面获得的平均加速比为3.59,而在功耗方面的平均增长率仅为1.48;通过实验还说明采用简单的CC1门控技术能有效地降低可重配置系统的功耗和硬件复杂度;该模型为可重配置处理器低功耗设计和编译器级低功耗优化研究奠定了基础。     

不同设计层次下密码运算部件抗功耗攻击能力量化评估技术

为设计有效抗功耗攻击且具有高性价比的安全芯片,需要在其设计实现过程中量化分析密码运算部件抗功耗攻击的防护能力,其关键在于评估防护能力以及模拟密码运算部件的瞬态功耗.以成功实施功耗攻击所需的样本数来量化密码运算部件抗功耗攻击能力,提出了成功实施功耗攻击所需样本数的估算方法;在RTL(register transfer level)级、综合后以及布局布线后等不同设计层次进行瞬态功耗模拟的技术;以及以空间换时间和多线程并行模拟技术,以提高瞬态功耗的模拟速度,也可以用于大规模电路的瞬态功耗模拟.     

龙芯1号处理器的故障注入方法与软错误敏感性分析

在纳米级制造工艺下以及在航天等特殊应用场合中,可靠性将是处理器设计中的一个重要考虑因素．以龙芯1号处理器为研究对象,探讨了处理器可靠性设计中的故障注入方法,并提出了一种同时运行两个处理器RTL模型的故障注入与分析方法,可以实现连续快速的处理器仿真故障注入．在此基础上,进一步分析了龙芯1号处理器的软错误敏感性,通过快速注入大约30万个软错误,保证了分析结果具有较好的统计意义,可以有效指导后续的容错与可靠性设计．     

利用新型的电源屏蔽实现方法降低测试功耗

为了削减芯片在测试过程中由于测试向量移入/移出所导致的静态功耗和动态功耗,提出一种电源屏蔽实现方法.在后端设计布局阶段,首先以时钟门控单元为参考点将触发器聚类摆放,以实现时序逻辑与组合逻辑在物理上的隔离;然后引入屏蔽单元对电源网络进行修改,最终解决扫描触发器与组合逻辑异构供电的难题.针对龙芯3号浮点乘积模块的实验结果表明,采用该方法可以节省45%的测试功耗,面积稍有增加,而对性能和测试覆盖率几乎没有影响,并且可以容易地嵌入目前的主流设计方法中.     

基于龙芯SoC的嵌入式网络收音机设计

针对嵌入式系统在高性能电子产品中的应用需求,研究并实现一个以龙芯SoC处理器HS3210为核心的嵌入式网络收音机的设计方案。以龙芯SoC处理器HS3210为核心,介绍Linux操作系统在龙芯SoC处理器上运行的实现,及外围部分电路芯片的选择与接口设计。实验结果表明,应用该方法设计的网络收音机成本低、性能高、功能易扩展。     

面向ASIC实现的CPA研究平台及其应用

差分功耗分析（DPA）是一种非侵入式边信道攻击技术,对各种密码芯片的安全构成了极大威胁。为了能够快速地评估密码算法ASIC实现方式的算法级抗功耗分析攻击措施的实际效果,将门级功耗分析方法应用于功耗分析攻击评估技术中,搭建了基于PrimeTime PX和MATLAB的相关性功耗分析（CPA）研究平台。该平台具有较强的通用性,只需修改算法攻击功耗模型部分,即可快速完成对不同密码算法ASIC实现中算法级防护措施的评估。作为应用,利用该平台分别对普通AES算法实现和基于Threshold技术的AES算法实现进行了相关性攻击实验,证明了该平台的有效性和便捷性。     

高性能微处理器微体系结构级功耗模型及分析

基于Itanium2微处理器体系结构提出单时钟和多时钟域两种基准模型；对处理器的电路级特性进行微体系结构级抽象，建立了参数化的峰值功耗估算模型；提出事件调度算法，实现了多时钟域处理器系统的行为级模拟；以IMPACT工具集作为模拟引擎实现了处理器的动态功耗模拟模型．与其它同类模型Wattch相比，该模型能够支持多时钟系统的模拟，峰值功耗估算精度高了约3％，而模拟速度提高了42％．通过实验说明了多时钟域的功耗特性，在一种多电压和频率环境下，多时钟域处理器的功耗和能量分别降低了21％和38％．该模型可以很好地应用到体系结构级低功耗研究设计．     

基于物理反标的处理器功耗建模与评估方法

将基于综合的处理器作为主要研究对象,通过参数化RTL和物理反标的方法对处理器中的基本单元块提取出功耗值并组成功耗模型库;将处理器各模块映射为基本单元块的组合,利用性能模拟器统计出的模块翻转信息,从而对处理器的功耗做出快速准确的评价.实验结果表明,该方法可以做到与门级网表的真实功耗值误差不到10%,且速度开销很小.     

Implementing a 1GHz Four-Issue Out-of-Order Execution Microprocessor in a Standard Cell ASIC Methodology

This paper introduces the microarchitecture and physical implementation of the Godson-2E processor, which is a four-issue superscalar RISC processor that supports the 64-bit MIPS instruction set. The adoption of the aggressive out-of-order execution and memory hierarchy techniques help Godson-2E to achieve high performance. The Godson-2E processor has been physically designed in a 7-metal 90nm CMOS process using the cell-based methodology with some bitsliced manual placement and a number of crafted cells and macros. The processor can be run at 1GHz and achieves a SPEC CPU2000 rate higher than 500.     

龙芯2号同时多线程处理器的软硬件接口设计

随着生产工艺的提高,芯片上能集成越来越多的晶体管,多线程技术也逐步成为一种主流的处理器体系结构技术,而多线程处理器的软硬件接口也就成为急需解决的问题.在分析同时多线程的软件需求的基础上,提出龙芯2号同时多线程处理器的软硬件接口协同设计解决方案,给出相应的操作系统实现方案.同时,在Linux 2.4.20的基础上实现了龙芯2号同时多线程处理器相应的操作系统.通过运行SPEC CPU2000等测试程序进行性能评测,充分说明实现软硬件接口的龙芯2号同时多线程处理器极大地提高了多进程负载的性能.分析和设计方案不仅适用于同时多线程处理器,而且对于片内多核处理器的设计也有借鉴作用.     

Physical Implementation of the Eight-Core Godson-3B Microprocessor

The Godson-3B processor is a powerful processor designed for high performance servers including Dawning Servers.It offers significantly improved performance over previous Godson-3 series CPUs by incorporating eight CPU cores and vector computing units.It contains 582.6 M transistors within 300 mm2 area in 65 nm technology and is implemented in parallel with full hierarchical design flows.In Godson-3B,advanced clock distribution mechanisms including GALS (Globally Asynchronous Locally Synchronous) and clock mesh are adopted to obtain an OCV tolerable clock network.Custom-designed de-skew modules are also implemented to afford further latency balance after fabrication.The power reduction of Godson-3B is maintained by MLMM (Multi Level Multi Mode) clock gating and multi-threshold-voltage cells substitution schemes.The highest frequency of Godson-3B is 1.05 GHz and the peak performance is 128 GFlops (double-precision) or 256 GFlops (single-precision) with 40 W power consumption.     

基于IXP2400安全路由器的研究与设计

随着网络向着更高的速度、更多的业务方向的发展,传统的通用CPU或ASIC架构已经不能适应新一代网络设备的需求,而随着网络处理器的出现,基于网络处理器开发的网络设备能够很好地解决灵活性和高性能之间的矛盾.由于安全路由器是解决网络安全问题的关键设备[1],因而在研究网络处理器体系结构和功能特点的基础上,分析了安全路由器的系统结构和软/硬件组成,最后给出了一种基于IXP2400的安全路由器的设计方案,并对方案进行了性能分析.     

龙芯1号IP验证方法

SoC设计中大量使用IP,其验证充分与否决定了设计的成败,其中处理器IP的验证十分复杂耗时。该文介绍龙芯1号IP的验证流程,阐述龙芯1号 IP的基本结构及功耗低、配置丰富等特点。建立龙芯1号IP的仿真环境平台,提出平台的改进思路,其验证流程比传统验证流程更具多样性和完备性。     

面向SDTA处理单元的一种功耗评估方法

本文针对同步数据传输体系结构(SDTA)处理单元提出了一种功耗评估方法。基于处理单元的结构抽象,结合SDTA特点,采取不同方法对各个子部件功耗分别进行评估。该方法不仅满足了精度要求,而且具有较好的灵活性与较高的工作效率,特别适应于专用指令集处理器的设计流程。实验表明,与PrimePower门级功耗评估工具的模拟结果比较,70%与90%的样本误差分别小于8.2%与10.8%,但评估效率提高了12000倍左右。     

Making Effective Decisions in Computer Architects Real-World: Lessons and Experiences with Godson-2 Processor Designs

Although the design of many kinds of microprocessors has been under developing for several decades,the computer architecture R&D community lacks well documented lessons and experiences about design decisions in the research literature.In this paper,we systematically present the design decisions we made during the designing and prototyping of Godson-2 series processors.The 250MHz Godson-2B,450MHz Godson-2C,and 1GHz Godson-2E processors that implement 64-bit,four-issue,out-of-order architecture were taped out in 2003,2004,and 2005,respectively.Each processor triples its predecessor in the SPEC CPU2000 rates.Our first-hand experiences and lessons gained from these designs would provide unique perspectives and insights that are not available in any existing text books and/or published papers.We summarize 10 critical lessons and experiences based on hundreds of our attempts at architectural and design optimizations for performance improvement of Godson-2 series processors.The issues include silicon-simulation correlation,design balancing,performance optimizing,and pico-architecture tuning.We conclude that persistent improvement,attitude towards work-on-silicon design, and insightful understanding of software and fabrication process are the three most important factors for designing a high performance processor with low energy consumption.     

网络处理器体系结构的比较与分析

网络处理器作为路由器设计的关键部分，不仅具有ASIC的功能，同时有着通用CPU的编程能力，在速度与可编程方面均有着优良的性能。该文主要阐述IBM NP4GS3与Intel IXP 1200两款网络处理器的体系结构，并对网络处理器的总线设计、微引擎机制、存储器设计等关键部分加以比较分析，为设计网络处理器提供参考。