Применение графовых нейронных сетей для оптимизации синтеза тактовых деревьев в архитектурах с программируемой логикой

Постановка проблемы. Синтез тактовых деревьев (CTS) в программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) определяет производительность и энергопотребление вычислительных модулей. Существующие на сегодняшний день методы синтеза, ориентированные на равномерное распределение тактового сигнала, не учитывают специфику архитектур с последовательной активацией модулей, что приводит к избыточному энергопотреблению и увеличению рассинхронизации, особенно в системах с распределенным управлением по принципу «маркерное кольцо». В связи с этим предлагается рассмотреть возможность использования графовых нейронных сетей (GNN) для адаптации тактового дерева под топологию маркерного кольца, а также для прогнозирования оптимальных точек размещения буферов и конфигурации стробирующих элементов с ранжированием значимости связей для минимизации рассинхронизации без увеличения вычислительных затрат, что обеспечит повышение энергоэффективности и отказоустойчивости бортовых вычислительных модулей БАС.

Цель. Разработать подход к оптимизации синтеза тактовых деревьев для архитектур с программируемой логикой на основе GNN, учитывающий особенности распределенного управления с передачей права доступа и обеспечивающий снижение энергопотребления и рассинхронизации тактовых сигналов в бортовых вычислительных модулях беспилотных авиационных систем (БАС).

Результаты. Предложен основанный на GNN метод синтеза тактовых деревьев для архитектур с программируемой логикой  и проведена его экспериментальная верификация на тестовых схемах QC-LDPC-декодера. Установлено, что применение GNN-оптимизации снижает рассинхронизацию тактовых сигналов на 15–20%, динамическую мощность тактовой сети на 15%, время синтеза на 30–45% и, как следствие, увеличивает энергоэффективность бортовых вычислительных модулей и продолжительность полета БАС.

Практическая значимость. Применение GNN с механизмом ранжирования значимости соединений автоматизирует поиск оптимальных точек размещения буферов и конфигурации стробирующих элементов, снижая нагрузку на проектировщика и сокращая время синтеза тактовых деревьев, обеспечивая компромисс между качеством тактового дерева, энергопотреблением и временем проектирования для энергоэффективных бортовых систем БАС на базе программируемой логики.