高级搜索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

连续微流控生物芯片下一种多阶段启发式的流层物理协同设计算法

刘耿耿 叶正阳 朱予涵 陈志盛 黄兴 徐宁

刘耿耿, 叶正阳, 朱予涵, 陈志盛, 黄兴, 徐宁. 连续微流控生物芯片下一种多阶段启发式的流层物理协同设计算法[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(9): 3401-3409. doi: 10.11999/JEIT221155
引用本文: 刘耿耿, 叶正阳, 朱予涵, 陈志盛, 黄兴, 徐宁. 连续微流控生物芯片下一种多阶段启发式的流层物理协同设计算法[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(9): 3401-3409. doi: 10.11999/JEIT221155
LIU Genggeng, YE Zhengyang, ZHU Yuhan, CHEN Zhisheng, HUANG Xing, XU Ning. A Multi-Stage Heuristic Flow-Layer Physical Codesign Algorithm for Continuous-Flow Microfluidic Biochips[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(9): 3401-3409. doi: 10.11999/JEIT221155
Citation: LIU Genggeng, YE Zhengyang, ZHU Yuhan, CHEN Zhisheng, HUANG Xing, XU Ning. A Multi-Stage Heuristic Flow-Layer Physical Codesign Algorithm for Continuous-Flow Microfluidic Biochips[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(9): 3401-3409. doi: 10.11999/JEIT221155

连续微流控生物芯片下一种多阶段启发式的流层物理协同设计算法

doi: 10.11999/JEIT221155
基金项目: 国家自然科学基金(61877010)
详细信息
    作者简介:

    刘耿耿:男,副教授、博士生导师、CCF高级会员,研究方向为微流控生物芯片及VLSI设计自动化

    叶正阳:男,硕士生,研究方向为微流控生物芯片的设计自动化

    朱予涵:女,博士生,研究方向为微流控生物芯片的设计自动化

    陈志盛:男,博士生,研究方向为微流控生物芯片的设计自动化

    黄兴:男,教授、博士,研究方向为微流控生物芯片及VLSI设计自动化

    徐宁:男,教授、博士生导师、CCF高级会员,研究方向为电子设计自动化、计算机软件与系统

    通讯作者:

    刘耿耿 liugenggeng@fzu.edu.cn

  • 中图分类号: TN47

A Multi-Stage Heuristic Flow-Layer Physical Codesign Algorithm for Continuous-Flow Microfluidic Biochips

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61877010)
  • 摘要: 为了提高连续微流控生物芯片(CFMBs)中的流层物理协同设计质量和效率,该文分3阶段实现布局布线协同设计。(1) 布局预处理阶段:通过提出的逻辑布局和组件方向布局调整方法,得到组件优异的逻辑位置和逻辑方向。(2) 组件映射和包围盒间隙布局调整阶段:基于包围盒策略,把布局预处理结果映射到实际物理设计空间中,并通过包围盒间隙布局调整,获得最佳包围盒间隙。(3) 收缩布局调整阶段:基于组件间的连通图关系,提出了沿流通道收缩和多图收缩两种新的布局调整方法。实验结果表明,与现有最佳的启发式算法对比,该文算法在芯片流层整体面积、流通道交叉点数和流通道总长度上分别优化20.22%, 54.66%和71.62%,加速比为177.12,显著提升了设计质量和效率。
  • 图  1  算法整体设计流程

    图  2  逻辑空间初始状态

    图  3  两种组件单元交换操作

    图  4  逻辑布局效果示意图

    图  5  组件方向布局调整效果示意图

    图  6  包围盒策略放置组件

    图  7  包围盒间隙布局调整示意图

    图  8  沿流通道收缩前后示意图

    图  9  流层整体面积变化趋势

    图  10  流通道总长度变化趋势

    图  11  流通道交叉点数量变化趋势

    图  12  3个指标权重和变化趋势

    算法1 逻辑布局算法
     输入:所有组件和连接网。
     输出:优化后的逻辑布局结果。
     1 初始化逻辑空间。
     2 若小于外层迭代次数阈值且邻近交换最大收益maxBenefit为正,则进入循环。
      (1) 根据式(1)计算所有组件在邻近4个方向的净收益并更新maxBenefit。
      (2) 选择收益等于maxBenefit的组件进行邻近移动。
      (3) 如小于内层迭代次数阈值且由式(1)更新的maxBenefit小于等于零,则进入循环。
       (a) 遍历找出边未被锁定且边两端曼哈顿距离最大的两组件,并分配目标组件和跳跃组件角色。
       (b) 根据式(2)顺时针方向在目标组件周围寻找第1个净收益非负的交换组件。
       (c) 若存在净收益非负的交换组件,则进行目标跳跃;否则跳过,并锁定该边。
       (d) 锁定该边,并更新maxBenefit。
       (e) 如果所有的边都被锁定,则解锁所有的边。
     3 循环结束,输出优化后的逻辑布局结果。
    下载: 导出CSV

    表  1  与文献[10]最终实验结果3指标对比

    测试用例组件
    数量(个)
    宽度(mm)高度(mm)流层整体面积(mm2)流通道交叉点数量(个)流通道总长度(mm)
    文献[10]本文文献[10]本文文献[10]本文优化比例
    (%)
    文献[10]本文优化比例
    (%)
    文献[10]本文优化比例
    (%)
    PCR1658514954284227543.1020100.0045415765.42
    ProteinSplit-1306672706746204818–4.2910190.0095633964.54
    ProteinSplit-266121108115103139151112420.06551670.912519114654.51
    InVitro-130734458604234264037.6530100.007405292.97
    InVitro-245806583546640351047.1470100.00105312388.32
    InVitro-3601157582839430522944.55100100.00164419088.44
    平均24.7093.49  75.70
    下载: 导出CSV

    表  2  与文献[10]的最终实验结果对比

    测试用例权重和CPU时间(s)
    文献[10]本文优化(%)文献[10]本文加速比
    PCR12522589452.932.110.1712.41
    ProteinSplit-1267401189855.508.760.4021.90
    ProteinSplit-2807953884451.92235.554.4153.41
    InVitro-119934368081.549.120.1091.20
    InVitro-229800597079.9739.080.19205.68
    InVitro-345310902980.07214.900.41524.15
    平均  66.99   151.46
    下载: 导出CSV

    表  3  与文献[11]最终实验结果3指标对比

    测试用例组件
    数量(个)
    宽度(mm)高度(mm)流层整体面积(mm2)流通道交叉点数量(个)流通道总长度(mm)
    文献[11]本文文献[11]本文文献[11]本文优化比例
    (%)
    文献[11]本文优化比例
    (%)
    文献[11]本文优化比例
    (%)
    PCR1655515254286027543.7100/43515763.91
    ProteinSplit-1308372526743164818–11.634175.0075733955.22
    ProteinSplit-26611810810010311800111245.73341652.942277114649.67
    InVitro-130534479604187264036.9500/5265290.11
    InVitro-245706583545810351039.5920100.0079812384.59
    InVitro-3608875112839856522946.9520100.00142119086.21
    平均20.2254.66  71.62
    下载: 导出CSV

    表  4  与文献[11]的最终实验结果对比

    测试用例权重和CPU时间(s)
    文献[11]本文优化(%)文献[11]本文加速比
    PCR11560589449.011.110.176.53
    ProteinSplit-1206561189842.409.340.4023.35
    ProteinSplit-2675403884442.49235.354.4153.37
    InVitro-114707368074.9812.050.10120.05
    InVitro-222370597073.3141.080.19216.21
    InVitro-338876902976.77263.720.41643.22
    平均  59.83  177.12
    下载: 导出CSV
  • [1] MELIN J and QUAKE S R. Microfluidic large-scale integration: The evolution of design rules for biological automation[J]. Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure, 2007, 36: 213–231. doi: 10.1146/annurev.biophys.36.040306.132646
    [2] HONG J W and QUAKE S R. Integrated nanoliter systems[J]. Nature Biotechnology, 2003, 21(10): 1179–1183. doi: 10.1038/nbt871
    [3] HUANG T W, HO T Y, and CHAKRABARTY K. Reliability-oriented broadcast electrode-addressing for pin-constrained digital microfluidic biochips[C]. 2011 IEEE/ACM International Conference on Computer-Aided Design, San Jose, USA, 2011: 448–455.
    [4] MAIRHOFER J, ROPPERT K, and ERTL P. Microfluidic systems for pathogen sensing: A review[J]. Sensors, 2009, 9(6): 4804–4823. doi: 10.3390/s90604804
    [5] CHOU H P, UNGER M A, SCHERER A, et al. Integrated elastomer fluidic lab-on-a-chip-surface patterning and DNA diagnostics[C]. Solid-State Sensors, Actuators, and Microsystems Workshop, Hilton Head Island, USA, 2000: 4.
    [6] ROGERS J A and NUZZO R G. Recent progress in soft lithography[J]. Materials Today, 2005, 8(2): 50–56. doi: 10.1016/s1369-7021(05)00702-9
    [7] POL R, CÉSPEDES F, GABRIEL D, et al. Microfluidic lab-on-a-chip platforms for environmental monitoring[J]. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2017, 95: 62–68. doi: 10.1016/j.trac.2017.08.001
    [8] TSENG K H, YOU Shengchi, LIOU J Y, et al. A top-down synthesis methodology for flow-based microfluidic biochips considering valve-switching minimization[C]. 2013 ACM International Symposium on Physical Design, Stateline, USA, 2013: 123–129.
    [9] MINHASS W H, POP P, MADSEN J, et al. Architectural synthesis of flow-based microfluidic large-scale integration biochips[C]. 2012 International Conference on Compilers, Architectures and Synthesis for Embedded Systems, Tampere, Finland, 2012: 181–190.
    [10] WANG Qin, RU Yizhong, YAO Hailong, et al. Sequence-pair-based placement and routing for flow-based microfluidic biochips[C]. The 21st Asia and South Pacific Design Automation Conference, Macao, China, 2016: 587–592.
    [11] 朱予涵, 黄鸿斌, 林泓星, 等. 连续微流控生物芯片下基于序列对的流层物理设计算法[J]. 计算机辅助设计与图形学学报, 2022, 34(4): 535–544. doi: 10.3724/SP.J.1089.2022.19445

    ZHU Yuhan, HUANG Hongbin, LIN Hongxing, et al. Sequence-pair-based flow-layer physical design algorithm for continuous-flow microfluidic biochips[J]. Journal of Computer-Aided Design &Computer Graphics, 2022, 34(4): 535–544. doi: 10.3724/SP.J.1089.2022.19445
    [12] HUANG Xing, PAN Youlin, ZHANG G L, et al. PathDriver+: Enhanced path-driven architecture design for flow-based microfluidic biochips[J]. IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, 2022, 41(7): 2185–2198. doi: 10.1109/TCAD.2021.3103832
    [13] HUANG Xing, GUO Wenzhong, CHEN Zhisheng, et al. Flow-based microfluidic biochips with distributed channel storage: Synthesis, physical design, and wash optimization[J]. IEEE Transactions on Computers, 2022, 71(2): 464–478. doi: 10.1109/TC.2021.3054689
    [14] HUANG Xing, PAN Youlin, CHEN Zhen, et al. BigIntegr: One-pass architectural synthesis for continuous-flow microfluidic lab-on-a-chip systems[C]. 2021 IEEE/ACM International Conference on Computer Aided Design, Munich, Germany, 2021: 1–8.
    [15] HUANG Xing, PAN Youlin, CHEN Zhen, et al. Design automation for continuous-flow lab-on-a-chip systems: A one-pass paradigm[J]. IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, 2023, 42(1): 327–331. doi: 10.1109/TCAD.2022.3166105
  • 加载中
图(12) / 表(5)
计量
  • 文章访问数:  349
  • HTML全文浏览量:  206
  • PDF下载量:  53
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-09-05
  • 修回日期:  2022-12-18
  • 录用日期:  2022-12-20
  • 网络出版日期:  2022-12-23
  • 刊出日期:  2023-09-27

目录

    /

    返回文章
    返回