0 引言

    隨著集成電路工藝發(fā)展，物理設(shè)計流程已相對成熟，但是隨著芯片規(guī)模增大，頻率提升，復(fù)雜度提升，芯片的物理實現(xiàn)變得越來越困難。研究和實踐均表明，插入緩沖器是物理設(shè)計有效的優(yōu)化互連延時的方法，但是，緩沖器插入有其局限性。目前的研究及電子設(shè)計自動化(Electronics Design AutomationEDA)工具大多都沒有考慮寄存器和邏輯單元布局（placement）后物理位置的影響，寄存器和邏輯單元通常被認(rèn)為放置在最佳位置。由于時鐘樹綜合（Clock Tree Synthesis，CTS），緩沖器的數(shù)量急劇增加，結(jié)果可能會發(fā)生顯著變化。由于這些原因，在物理設(shè)計階段仍可能發(fā)現(xiàn)許多時序違反，因此很難避免冗長的設(shè)計迭代。

    本文通過建立適用于高性能芯片設(shè)計的物理設(shè)計流程，并對緩沖器的特性及作用進(jìn)行分類討論，提出一種在布局階段對設(shè)計進(jìn)行二次優(yōu)化的方法，并結(jié)合這個方法給出相應(yīng)的物理設(shè)計流程。最終使物理設(shè)計性能得到優(yōu)化。

1 物理設(shè)計介紹

1.1 物理實現(xiàn)方式

    隨著芯片設(shè)計復(fù)雜度增加，規(guī)模增大，頻率提升，從RTL到GDSII過程的每一步，對于EDA工具、工程師和計算機硬件都是巨大的挑戰(zhàn)^[1]，設(shè)計收斂的關(guān)鍵問題往往集中在某些模塊，層次化設(shè)計就是“自上向下”地將大而復(fù)雜的設(shè)計分割成多個分割塊，然后對各個分割塊單獨進(jìn)行物理設(shè)計。層次化設(shè)計已經(jīng)成為大規(guī)模復(fù)雜芯片后端設(shè)計的主流方法^[2]。對于分割塊的物理設(shè)計是在邏輯網(wǎng)表基礎(chǔ)上以標(biāo)準(zhǔn)單元作為最底層的子節(jié)點進(jìn)行“自下而上”的展平式設(shè)計的。各分割塊物理設(shè)計完成后合并到頂層完成整個設(shè)計。

1.2 傳統(tǒng)布局布線流程

    芯片設(shè)計的物理實施通常被簡稱為布局布線（Place-and-Route，PR）^[2]。由于布局布線的起點是插入掃描鏈后的門級網(wǎng)表，先進(jìn)行導(dǎo)入設(shè)計（Load design），即將門級網(wǎng)表和約束文件導(dǎo)入PR工具中；然后進(jìn)行Floorplan對輸入輸出管腳（Input Output port，I/O）、硬核（hard intellectual property，IP）和宏模塊進(jìn)行物理位置的規(guī)劃；接著進(jìn)行placement，即PR工具自動放置標(biāo)準(zhǔn)單元；接下來用緩沖器將時鐘送到各寄存器、IP、宏模塊的時鐘輸入端進(jìn)行CTS；再進(jìn)行布線（Route），在滿足工藝規(guī)則、設(shè)計規(guī)則以及邏輯規(guī)則的約束下，將單元和I/O用金屬連接起來；布線結(jié)束后會根據(jù)設(shè)計的最終檢查標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化。圖1所示為布局布線的流程圖。

    傳統(tǒng)的物理設(shè)計流程就是針對上述布局布線流程，以時序為主要參考指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計，由于在前面的流程中不能得到后面步驟的信息，因此會在前面以不確定性（uncertainty）來進(jìn)行額外約束。uncertainty具體值的設(shè)置往往來自經(jīng)驗值，placement階段設(shè)置額外約束的目的是使標(biāo)準(zhǔn)單元位置更合理，所以需要加入對CTS和Route兩個階段的預(yù)估值。CTS階段設(shè)置額外約束的目的是建立更加合理的時鐘樹結(jié)構(gòu)，同時需要加入Route階段的預(yù)估。逐步約束，逐步優(yōu)化，保證每一階段的時序收斂，并達(dá)到最終設(shè)計的收斂。這種傳統(tǒng)流程一個很嚴(yán)重的問題是為了設(shè)計的收斂而進(jìn)行過約束，從而進(jìn)行設(shè)計，尤其是在placement階段要加入CTS和Route兩個階段的預(yù)估值，偏差就更大。

1.3 Innovus介紹

    Innovus是業(yè)內(nèi)主流的PR設(shè)計工具，可以提供更加合理有效的物理實現(xiàn)解決方法，在運行效率、時序分析、設(shè)計優(yōu)化方面都體現(xiàn)了強大的功能。在傳統(tǒng)PR流程的基礎(chǔ)上，Innovus可提供更優(yōu)化的方法。

2 物理實現(xiàn)優(yōu)化方法介紹

    本節(jié)在傳統(tǒng)PR流程基礎(chǔ)上，基于Innovus建立更適用于高性能芯片設(shè)計的PR流程，并對16 nm工藝下緩沖器的特性進(jìn)行統(tǒng)計分析，在此基礎(chǔ)上提出placement的二次優(yōu)化方法。以16 nm高性能芯片設(shè)計為例，應(yīng)用PR流程和二次布局優(yōu)化方案，對placement二次優(yōu)化前后的設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行對比分析。也同時對比了placement二次優(yōu)化后的數(shù)據(jù)版本運行到PR結(jié)束的變化，使物理設(shè)計更合理。

2.1 新建布局布線流程

    Innovus在placement階段已經(jīng)對CTS和Route兩個階段的預(yù)估做了很好的方案。早期時鐘樹綜合功能（Early Clock Flow，ECF）是在placement階段調(diào)用時鐘樹協(xié)同優(yōu)化（Clock Concurrent Optimization，CCOPT）引擎創(chuàng)建時鐘樹塊并在placement階段自動優(yōu)化時序時反標(biāo)更準(zhǔn)確的時鐘延時^[2]。這種方法能夠規(guī)避由于placement看不到之后的CTS信息，導(dǎo)致物理上時鐘樹緩沖器及時鐘繞線資源被占用，性能上影響CTS結(jié)果的弊端，使placement的結(jié)果更趨向于CTS之后的結(jié)果，減少了從placement階段到CTS階段的設(shè)計偏差。

    在placement階段的預(yù)布線可以很好地預(yù)估后續(xù)Route的情況，但是工具在優(yōu)化計算時序時對電阻電容參數(shù)（RC Factor）的設(shè)置是理想值1，這明顯是不合理的，所以Innovus可提供對Route之后的RC Factor重新抽取計算，得到新的RC Factor，更新Route前設(shè)計的RC Factor；同時在抽參數(shù)的時候這樣工具在對預(yù)布線的計算就會更接近Route的結(jié)果，從而減少了從placement階段到Route階段的繞線偏差。實驗結(jié)果顯示，更新RC Factor之后，Route前后的偏差明顯縮小。

    整個PR流程使用多模式多端角（Multi Mode Multi Corner，MMMC）分析方式，并且全程使用AOCV，避免時序過優(yōu)化，同時減少物理設(shè)計與工藝簽核（signoff）分析模式不同造成的物理設(shè)計冗余。在placement之前預(yù)先放置好時鐘門控，指導(dǎo)工具按照預(yù)先放置好的門控進(jìn)行布局，并且對時鐘根節(jié)點到門控的主干時鐘預(yù)先選擇更優(yōu)的單元和更優(yōu)的線寬，確保時鐘能夠更快更好地送到門控時鐘輸入端。由于本設(shè)計邏輯集中，寄存器集中，因此選擇寄存器合并的優(yōu)化方式進(jìn)行placement，并在placement階段使用ECF，減小placement與CTS之間的偏差。在CTS階段使用了中繼器（Buffer）與反相器（Inverter）混合的時鐘樹結(jié)構(gòu)，更好地減少時鐘樹上的單元，從而減小功耗。將Route分為三步，先繞時鐘線，再繞高層，最后繞低層，提升中高層繞線的質(zhì)量。并且從PR結(jié)束后的設(shè)計中抽取RC Factor反標(biāo)回placement前的設(shè)計，確保繞線前后互連金屬計算偏差更小。最后執(zhí)行布線后的優(yōu)化。此外全程設(shè)計同時考慮優(yōu)化功耗，指導(dǎo)工具在優(yōu)化時序的同時不至于過分影響功耗。圖2為Innovus優(yōu)化后的流程。

2.2 16 nm工藝下緩沖器特點分析

    研究和實踐均表明，插入緩沖器是物理設(shè)計有效的優(yōu)化互連延時的方法。為了指導(dǎo)工具使用更合理的緩沖器，本節(jié)對緩沖器類型進(jìn)行對比分析。

    已知在物理設(shè)計過程中緩沖器的主要作用是用來優(yōu)化扇出、優(yōu)化時序、優(yōu)化邏輯結(jié)構(gòu)。

    圖3所示為16 nm工藝下四種緩沖器在相同線負(fù)載條件下的延時統(tǒng)計，其中橫軸為單元驅(qū)動力倍數(shù)，縱軸為單元延時，repeater1~4表示4種類緩沖器的編號。從圖中可以看出，線負(fù)載相同，驅(qū)動力倍數(shù)相同的條件下，這四類緩沖器的上下沿延時曲線整體上隨驅(qū)動力的增大呈現(xiàn)先快速減少的趨勢，當(dāng)驅(qū)動力倍數(shù)增大至D5后，單元延時趨于緩慢增加的穩(wěn)定趨勢。其中repeater1和repeater2的延時要小于repeater3和repeater4的延時，而repeater1和repeater2的延時比較接近；D1、D2小倍數(shù)的緩沖器驅(qū)動能力很弱。

    圖4所示為不同種類緩沖器的單元上下沿延時偏差，可見repeater3和repeater4這兩種緩沖器正負(fù)沿均衡性較差，會影響傳輸信號的質(zhì)量。

    圖5所示為從時序庫文件查表得到不同種類緩沖器的漏流功耗情況。

    由圖5可知，這四類緩沖器都呈現(xiàn)驅(qū)動倍數(shù)越大漏流功耗越大的的關(guān)系，其中，repeater1和repeater2的曲線接近，repeater3和repeater4的曲線接近，相同驅(qū)動倍數(shù)的repeater3和repeater4的漏流功耗明顯低于repeater1和repeater2，且在驅(qū)動力倍數(shù)增大至D5后，漏流功耗隨驅(qū)動力倍數(shù)增加迅速增加。

    結(jié)合圖3～圖5，對于這四類緩沖器進(jìn)行總結(jié)如下：

    (1)由于repeater3和repeater4的正負(fù)沿偏差太大，對傳輸信號質(zhì)量有影響，因此這兩類單元要盡量少用或者不用。

    (2)驅(qū)動力倍數(shù)為D1和D2的驅(qū)動能力較弱，所以在分割線段時，獲得的延時收益會很小，但其漏流功耗小，所以可用來優(yōu)化對時序要求不緊張的大扇出。

    (3)驅(qū)動力倍數(shù)為D5附近的緩沖器具有較好的驅(qū)動能力，且漏流功耗不至于過大，所以用來優(yōu)化時序。對于驅(qū)動力D1和D2的緩沖器，由于D1緩沖器的漏流功耗稍大于D2，但其相同負(fù)載下的單元延時卻明顯大于D2，因此在優(yōu)化時序時，可用D2替換D1。

    (4)驅(qū)動倍數(shù)為D12以上的緩沖器，由于其漏流功耗比較大，且本身單元延時較大，因此對于較小的線負(fù)載考慮不用，如果有長線，可考慮使用。

    (5)后續(xù)手工調(diào)整的時候可考慮用repeater2替換repeater1進(jìn)行時序的優(yōu)化。

2.3 二次布局優(yōu)化方法

    分析2.1節(jié)的Innovus優(yōu)化流程，發(fā)現(xiàn)如果placement階段結(jié)果太差，那么這個結(jié)果會隨著PR流程的進(jìn)行，一直影響后續(xù)步驟，增加PR工具的運算量，甚至設(shè)計無法收斂。如果placement標(biāo)準(zhǔn)單元放置不合理，會使邏輯走線距離太長，延時增加，并使時序惡化，而工具在做placement的時候是先做全局布局，然后再做詳細(xì)布局，全局布局看到的信息不完整，只是粗略地放置，勢必會有標(biāo)準(zhǔn)單元放置不合理。由此可見，如果能夠在placement的時候讓工具考慮到自身placement完成后的情況，這樣就可以減少placement本身的過設(shè)計，提升設(shè)計性能。所以，為了更好的物理實現(xiàn)，placement的優(yōu)化非常重要。

    已知工具在placement的時候會同時插入緩沖器進(jìn)行大扇出和長線的優(yōu)化，同時也會對邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新組合。如果先將邏輯單元和寄存器位置放置好后，根據(jù)實際的寄存器和邏輯單元全局信息重新進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，使緩沖器的插入更合理化，減少因缺少全局信息造成的緩沖器冗余，從而改善布局結(jié)果。

    本節(jié)提出一種針對placement后的設(shè)計進(jìn)行二次布局優(yōu)化，減少placement自身偏差的方法，圖6為二次優(yōu)化流程圖，方法如下：

    (1)對placement設(shè)計中的緩沖器進(jìn)行統(tǒng)計和分類，明確緩沖器所起的作用。

    (2)刪除原placement設(shè)計中的所有緩沖器。

    (3)針對placement階段時序違反報告出現(xiàn)的緩沖器，根據(jù)其發(fā)揮的不同功能，進(jìn)行調(diào)整。若其是用來優(yōu)化長線，那么就需要調(diào)整兩個單元之間的位置；若是用來優(yōu)化扇出，可考慮增加前級驅(qū)動力；若是做邏輯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，可對邏輯進(jìn)行等價性修改。

    (4)對刪除緩沖器的placement設(shè)計進(jìn)行二次優(yōu)化，在二次優(yōu)化時，除D5倍數(shù)外，禁止使用repeater3和repeater4。

    (5)如果時序收斂，則二次布局優(yōu)化結(jié)束，如果時序不收斂，可針對時序報告中的緩沖器按照2.2節(jié)中給出的緩沖器使用規(guī)則進(jìn)行替換。

    二次布局優(yōu)化時已經(jīng)考慮了更準(zhǔn)確的寄存器和邏輯單元物理位置，能得到更優(yōu)的placement階段結(jié)果，減少后續(xù)步驟的偏差。

3 物理實現(xiàn)與分析

    本節(jié)以16 nm下一款2.5G高性能芯片設(shè)計為例，實施上節(jié)建立的物理設(shè)計流程和二次優(yōu)化方法。

3.1 二次布局優(yōu)化前后時序路徑的變化

    本節(jié)中討論了二次布局優(yōu)化前后placement的結(jié)果。圖7所示為兩個寄存器reg1到reg2之間的一條建立時間（setup）時序路徑二次優(yōu)化前后在Innovus版圖中的情況，白色三角形表示路徑在該處有緩沖器插入。由圖可以看出，在二次優(yōu)化之前，這條路徑上緩沖器位置雜亂，從reg1出來一段存在多個緩沖器反復(fù)插入引起的迂回繞線，同時中間網(wǎng)絡(luò)線太長，明顯不合理。經(jīng)過二次布局優(yōu)化后路徑得到了更好的優(yōu)化，不僅沒有在reg1附近插入冗余的緩沖器，而且把長線中間加入了緩沖器做分割。優(yōu)化前該條數(shù)據(jù)路徑的延時為449 ps，優(yōu)化后該條數(shù)據(jù)路徑的延時為399 ps，與優(yōu)化前的路徑相比，延時減少50 ps。

3.2 二次布局優(yōu)化前后緩沖器使用的變化

    對二次布局優(yōu)化前后placement設(shè)計中的緩沖器的使用情況進(jìn)行分析，如圖8、圖9所示，其中pre代表優(yōu)化前placement設(shè)計中對應(yīng)緩沖器的數(shù)量，post代表優(yōu)化后placement設(shè)計中對應(yīng)緩沖器的數(shù)量。從這兩幅圖中可以看出，二次布局優(yōu)化幾乎沒有使用repeater3和repeater4，對于repeater1的使用數(shù)量減少，repeater2的數(shù)量幾乎同等數(shù)量增加。驅(qū)動倍數(shù)為D1的緩沖器數(shù)量有減少，驅(qū)動倍數(shù)為D2的緩沖器幾乎同等數(shù)量的增加，由前面對緩沖器類型的分析中可以知道驅(qū)動倍數(shù)為D1的緩沖器的leakage稍大于驅(qū)動倍數(shù)為D2的，但其單元延時要明顯大于D2，所以在時序優(yōu)先的本設(shè)計中，D1的數(shù)量略有下降，D2的數(shù)量略有上升。

這符合2.2節(jié)中對緩沖器特性的分析，說明二次優(yōu)化后對于緩沖器的使用更加合理化。

3.3 二次布局優(yōu)化前后Placemet結(jié)果對比

    工具在看到寄存器和邏輯單元的完整placement后，做二次布局優(yōu)化就會根據(jù)較為真實的placement模型做設(shè)計優(yōu)化，能夠得到更優(yōu)更合理選擇緩沖器的類型、驅(qū)動和位置的分布。表1所示為二次布局優(yōu)化前后placement的結(jié)果對比，表格中g(shù)atecount代表標(biāo)準(zhǔn)單元數(shù)量，repeater代表緩沖器數(shù)量，ULVT代表超低閾值電壓單元占所有標(biāo)準(zhǔn)單元的比例，setup代表寄存器到寄存器的建立時間時序違反值，density代表密度，total leakage power代表總的漏流功耗，total wire length代表placement結(jié)束后的預(yù)布線總線長，其中pre代表二次優(yōu)化前的數(shù)據(jù)，post代表二次優(yōu)化后的數(shù)據(jù)，△代表pre的數(shù)據(jù)與post數(shù)據(jù)差值百分比。從表1可以明顯看出經(jīng)過二次優(yōu)化后緩沖器的數(shù)量可以減少5.5%，漏流功耗降低11.3%，時序優(yōu)化87.5%，只造成不到1%的繞線增加和密度增長。

3.4 Route后的結(jié)果對比 

    良好的placement結(jié)果對最終繞線結(jié)束后的時序影響很大，表2所示為Route后兩個版本的結(jié)果對比。

    通過二次布局優(yōu)化，最終在Innovus下看到時序優(yōu)化85.07%，功耗減少3.2%，線長減少0.37%，單元數(shù)量減少2.01%。

4 結(jié)論

    在高性能芯片設(shè)計中，物理實現(xiàn)流程已經(jīng)相對成熟，但是隨著設(shè)計規(guī)模的增大，工藝的發(fā)展，物理設(shè)計難度增加。依據(jù)設(shè)計特點不斷完善和優(yōu)化物理實現(xiàn)流程是很重要的。本文在Innovus工具平臺下建立更適合于高性能芯片設(shè)計的物理實現(xiàn)方法，并在此基礎(chǔ)上引入二次布局優(yōu)化的方法，通過二次布局優(yōu)化方法在單元數(shù)量減少2.01%的基礎(chǔ)上，總線長減少0.37%，功耗降低3.2%，時序優(yōu)化85.07%，效果顯著。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

邊少鮮1，David He1，欒曉琨1，蔣劍鋒1，翟飛雪1，蔡  準(zhǔn)2

(1.天津飛騰信息技術(shù)有限公司，湖南 長沙410000；2.上?？请娮涌萍加邢薰?，上海201204)