当前，国家大力推动核心元器件国产化，以实现自主可控，XX处理器应运而生。XX处理器是一款适用于无线通信、雷达信号处理等领域的全新的具有自主知识产权指令集体系结构和微体系结构的高性能处理器，性能达到国际领先水平。　　在XX处理器中，运算部件和时钟网络占芯片总面积的50％以上，总功耗的60％以上，因此对运算部件和时钟网络进行优化设计具有至关重要的地位。同时为了进一步提高性能降低功耗，进行晶体管级尺寸优化也非常必要。为此，本文从以下三方面展开研究工作，主要如下:　　高性能运算部件设计:现代微处理器中，运算部件往往是芯片的关键路径，且功耗较大。本文在算法级对常用运算部件进行微体系结构研究，深入研究各类加法器、乘法器、乘累加器等功能结构及特点，提出多种高性能低功耗设计算法。本文提出的高性能加法器结构性能较通用加法器提高28.6％;低功耗乘法器中，压缩阵列的进位保留加法器翻转率降低40％，乘法器功耗降低16.78％;可复用定点乘累加器支持多种操作，支持子字并行，数据位宽包括8、16和32位，支持的运算包括乘法，累加和乘累加，支持数据格式包括实数、复数，整数和小数，支持的数据类型包括有符合、无符号数。运算部件设计的复杂性也给数据通路的验证带来严峻挑战。电路状态的复杂度与设计规模呈指数增长，完备、高效地验证XX处理器是保障其流片成功的关键。本文提出一种黄金参考模型及自动验证平台的设计方法，黄金参考模型代码量仅为待验证设计的8％，参考模型正确性易保证，整个验证平台自动化程度高，资源利用率高，实验结果表明验证平均覆盖率在98％以上。在此基础上设计实现自适应模板查找匹配算法，从数据通路的逻辑关系入手，导出逻辑功能团组合，进而进行功能团功能、性能定义与设计，得到功能团的详细数据，如出现次数，前后级驱动环境等，以16位串行进位加法器为例，其一共包括80个单元，该算法按逻辑深度对电路进行梳理，共得到33级逻辑，提取出26类模板。之后利用数据通路内部的规整性，进行智能布局算法研究，对运算部件的数据通路在物理摆放上进行相关性布局，从而有效减少面积，连线长度，布线拥塞，因互联而引发的寄生电阻电容(Resistance Capacitance，RC)以及时钟和数据信号的偏斜。同时相比于传统的手工布局，能够提高设计效率和逻辑优化深度。以XX处理器中浮点乘法部件第三级流水线设计为例，采用高速低功耗乘法结构，进行相关性布局后缓冲器数量减少23.2％，连线数量减少3.9％，连线长度减少15.7％。　　晶体管级电路优化平台设计:传统的全综合设计流程基于单元库实现，由于单元库使用离散尺寸，电路内部晶体管之间的匹配程度往往不是最优，这造成面积的浪费和性能的损失。传统的EDA工具链中，晶体管级电路分析通常是对模拟电路而言，用SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，通用模拟电路仿真器）进行仿真，这种方法较为耗时。本文深入研究晶体管级电路设计优化技术，将待优化电路划分成多个子系统，缩小优化空间，根据各路径时序余量加权值进行优化方案选择，摸索出一套快速、高效的晶体管级优化流程，并在实践中克服诸多实际困难，实现了高效的晶体管级电路优化平台。利用该优化平台，以四路选通器优化为例，将其划分成四个子系统进行晶体管级电路优化，优化后电路关键路径延时降低5.65％，面积减小12.5％。　　高性能时钟网络设计:时钟网络是整个芯片的重要组成部分，尤其在高性能微处理器设计中，其设计好坏直接决定芯片的性能，而时钟偏斜直接决定一个周期内真正留给功能逻辑的时间。本文对高性能处理器设计中时钟网络设计技术进行深入研究，并结合目前工艺发展、设计水平等实际情况，提出一种基于时序器件聚类的高性能时钟网络设计方法，该方法根据时序器件位置、名称、时序约束、门控单元等信息进行聚类，以提高芯片的时钟网络性能。对XX处理器DPATH部件进行时钟网络优化结果表明，缓冲器减少13.0％，时钟偏斜减低7.2％，功耗降低12.9％。　　以上关键技术研究保证了XX处理器在40nm工艺下可以稳定运行到1.2GHz，并为后续28nm XX处理器项目的开展打下坚实基础。