關(guān)于IBM的專用集成電路設(shè)計(jì)流程以及RLM設(shè)計(jì)流程的優(yōu)點(diǎn)詳解

1 前言

隨著集成電路工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，集成電路的特征設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)入到深亞微米，芯片規(guī)模擴(kuò)大到百萬(wàn)門級(jí)，從計(jì)算量、后端布局布線（placement&routing，P&R）工具、內(nèi)存占用、運(yùn)行時(shí)間、設(shè)計(jì)時(shí)序收斂性等方面考慮，扁平化的后端實(shí)現(xiàn)方式已變得難以承受，近年來，層次化的設(shè)計(jì)方式被廣泛采用，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模芯片的后端工作。

隨著芯片規(guī)模的擴(kuò)大，設(shè)計(jì)復(fù)雜性的提高，設(shè)計(jì)周期成為廣泛關(guān)注的問題。設(shè)計(jì)周期主要取決于4個(gè)方面

1.設(shè)計(jì)步驟

2.各個(gè)設(shè)計(jì)步驟需要重復(fù)的次數(shù)

3.各個(gè)設(shè)計(jì)步驟的執(zhí)行時(shí)間

4.各步驟之間需要等待的時(shí)間

設(shè)計(jì)周期的縮短需要從這4個(gè)方面努力。此外，還有一個(gè)能縮短設(shè)計(jì)周期的因素：可參考設(shè)計(jì)流程?？蓞⒖荚O(shè)計(jì)流程定義了設(shè)計(jì)中必須執(zhí)行的設(shè)計(jì)步驟，比如，著名的rugged.script是SIS的參考綜合流程。參考設(shè)計(jì)流程讓用戶在設(shè)計(jì)初期就能夠快速開始設(shè)計(jì)，否則設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)初期需要自行作多種嘗試，決定設(shè)計(jì)流程。

本文首先介紹IBM的專用集成電路（ASIC）設(shè)計(jì)流程，然后詳細(xì)介紹層次化模塊設(shè)計(jì)中對(duì)子模塊進(jìn)行快速物理設(shè)計(jì)的可重用設(shè)計(jì)流程（RLMREDOFLOW），頂層整合時(shí)對(duì)子模塊的優(yōu)化處理方法，以及該RLM設(shè)計(jì)流程的優(yōu)點(diǎn)。

2 IBM ASIC設(shè)計(jì)流程簡(jiǎn)介

圖1描述了IBM的ASIC設(shè)計(jì)流程。在初始設(shè)計(jì)階段，系統(tǒng)工程師、前端邏輯設(shè)計(jì)工程師和后端物理實(shí)現(xiàn)工程師將一起分析設(shè)計(jì)，進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃，根據(jù)邏輯設(shè)計(jì)和物理特性劃分設(shè)計(jì)層次。層次劃分是這一階段重點(diǎn)要考慮的因素，將影響到綜合和布局布線時(shí)對(duì)子模塊邊界優(yōu)化的力度，子模塊之間連接關(guān)系的復(fù)雜程度等。此外，進(jìn)行層次劃分時(shí)還要考慮邏輯設(shè)計(jì)的進(jìn)度，如果部分子模塊的前端邏輯設(shè)計(jì)比其他子模塊早，則可以先完成這部分子模塊的物理設(shè)計(jì)。

圖1 IBMASIC設(shè)計(jì)流程

3 RLM可重用設(shè)計(jì)流程（RLM REDO FLOW）

RLM可重用設(shè)計(jì)的自動(dòng)化流程涵蓋了從可測(cè)性設(shè)計(jì)（DesignForTest，DFT），物理設(shè)計(jì)到時(shí)序收斂的后端設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，使得設(shè)計(jì)工程師可以通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)流程來保證后端設(shè)計(jì)的收斂性和較少的迭代周期。我們根據(jù)后端設(shè)計(jì)中的主要設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)把整個(gè)子模塊的后端設(shè)計(jì)分為9個(gè)部分來具體實(shí)現(xiàn)。

1）100前端處理

2）200確定物理信息

3）300為時(shí)序驅(qū)動(dòng)的布局做準(zhǔn)備

4）400時(shí)序驅(qū)動(dòng)的布局

5）500 時(shí)鐘插入&時(shí)鐘繞線

6）600時(shí)鐘插入后的LateMode時(shí)序收斂

7）700時(shí)鐘插入后的EarlyMode時(shí)序收斂

8）800 詳細(xì)布線

9）900交付驗(yàn)收

下面具體介紹各個(gè)設(shè)計(jì)步驟。

100前端處理

主要完成RLM內(nèi)部測(cè)試結(jié)構(gòu)的生成，包括插入掃面鏈，以及測(cè)試邏輯，如邊界掃描邏輯、存儲(chǔ)器件的內(nèi)建自測(cè)試邏輯等。

200確定物理信息

確定RLM的一些主要物理信息，包括RLM的大小、形狀、內(nèi)部的電源網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)部硬核的擺放、邊界上端口的位置。

1）首先定義RLM的大小、形狀，以及RLM的繞線資源，這是RLM能夠獨(dú)立于頂層設(shè)計(jì)往下走的一個(gè)起點(diǎn)。往往這些信息的確定是經(jīng)過多個(gè)迭代后的結(jié)果，而一旦確定之后在設(shè)計(jì)后期再要修改會(huì)極大的影響設(shè)計(jì)的可重用性。

2）在給定的RLM資源的基礎(chǔ)上進(jìn)行硬核的預(yù)布局（Floorplan）工作。預(yù)布局工作可以利用工具自動(dòng)完成或者采用手工擺放的方式，需要考慮到時(shí)序收斂和繞線擁塞，在設(shè)計(jì)初期會(huì)占用很大的設(shè)計(jì)時(shí)間來達(dá)到一個(gè)較好的預(yù)布局結(jié)果。

3）根據(jù)已做好的預(yù)布局結(jié)果，對(duì)硬核中端口噪聲較高的區(qū)域進(jìn)行防噪聲處理。

4）分析整個(gè)RLM的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)。

5）進(jìn)行電源設(shè)計(jì)，一個(gè)獨(dú)立的RLM的電源設(shè)計(jì)需要在RLM邊界上有一個(gè)電源環(huán)的結(jié)構(gòu)，以此來連接RLM內(nèi)部和頂層的電源信號(hào)。

6）自頂向下的來完成RLM的端口擺放，在后續(xù)的設(shè)計(jì)中可以根據(jù)RLM內(nèi)部設(shè)計(jì)的需求來進(jìn)行一些調(diào)整。

7）在不考慮線延遲的情況下對(duì)RLM的時(shí)序進(jìn)行分析，以確定時(shí)序約束的合理性，需要注意的是，要做好RLM邊界的時(shí)序約束。

300為時(shí)序驅(qū)動(dòng)的布局做準(zhǔn)備

主要完成RLM端口和內(nèi)部硬核的相關(guān)邏輯的預(yù)布局，同時(shí)也可以根據(jù)設(shè)計(jì)的具體需求進(jìn)行其他重要邏輯的預(yù)布局。通過前面時(shí)鐘結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果，把設(shè)計(jì)中時(shí)鐘相關(guān)的邏輯確定出來，與時(shí)鐘相關(guān)的設(shè)計(jì)我們會(huì)放在布局之后獨(dú)立完成。

400時(shí)序驅(qū)動(dòng)的布局

基于上一步的輸出，對(duì)剩下未做布局的部分進(jìn)行時(shí)序驅(qū)動(dòng)的布局。并對(duì)完成布局的網(wǎng)表進(jìn)行時(shí)序和物理的檢查。

500時(shí)鐘插入&時(shí)鐘繞線

根據(jù)前面時(shí)鐘結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果在做完布局的設(shè)計(jì)上進(jìn)行時(shí)鐘樹的插入工作，并進(jìn)行時(shí)鐘的繞線。

600時(shí)鐘插入后的LateMode時(shí)序收斂

調(diào)用優(yōu)化工具優(yōu)化setup，直到setup滿足要求

700時(shí)鐘插入后的EarlyMode時(shí)序收斂

調(diào)用優(yōu)化工具優(yōu)化hold，直到hold滿足要求

800詳細(xì)布線

對(duì)所有信號(hào)進(jìn)行布線，并完成物理特性的檢查。然后提取寄生參數(shù)，以及噪聲、耦合信息，進(jìn)行時(shí)序分析，并調(diào)用優(yōu)化工具優(yōu)化時(shí)序。

900交付驗(yàn)收

檢查RLM的布局布線、時(shí)序、功耗、噪聲等，確保RLM的設(shè)計(jì)滿足驗(yàn)收要求，可以交付給頂層進(jìn)行整合。

從上面的設(shè)計(jì)流程可以看出，RLM設(shè)計(jì)和頂層設(shè)計(jì)的交互主要在200和900這兩步。在RLM設(shè)計(jì)流程開始之前，芯片的頂層設(shè)計(jì)人員需要確定 RLM的在芯片上的位置、形狀（包括尺寸）、端口的位置和約束，可用于RLM布線的最高金屬層，以及RLM邊界上的時(shí)序約束。在RLM設(shè)計(jì)人員進(jìn)行RLM 設(shè)計(jì)的同時(shí)，頂層的工作可以并行進(jìn)行，各個(gè)RLM的設(shè)計(jì)也是可以并行的，并行度的提高大大縮短了設(shè)計(jì)周期。

4 HATS

HATS（HierarchicalAbstractTimingSignoff）是IBM層次化設(shè)計(jì)方法學(xué)的一部分，僅抽取RLM 的部分信息，用于頂層合成時(shí)的時(shí)序分析和優(yōu)化。在RLM中，影響芯片頂層時(shí)序的僅僅是輸入/輸出端口相關(guān)的路徑。而占絕大部分的時(shí)序路徑是從寄存器到寄存器的，這部分已經(jīng)在RLM中已做到時(shí)序收斂，整合到頂層時(shí)，時(shí)序信息不會(huì)發(fā)生變化，合成時(shí)可以不考慮這部分的時(shí)序。

HATS的流程如圖2所示，在完成RLM設(shè)計(jì)之后進(jìn)行時(shí)序分析和網(wǎng)表分析，去除RLM內(nèi)部寄存器到寄存器的路徑，以及與此相關(guān)的時(shí)序約束，抽取 RLM信息，交給頂層使用。抽取的過程如圖3所示。

圖2HATS處理流程

圖3RLM信息的抽取

隨著芯片規(guī)模的擴(kuò)大，標(biāo)準(zhǔn)單元和硬核的數(shù)量迅速增加，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法需要占用大量的內(nèi)存和CPU時(shí)間。而采用HATS方法，在保證驗(yàn)收質(zhì)量的同時(shí)，去除了冗余的計(jì)算，大大降低了芯片合成所需的內(nèi)存和CPU時(shí)間。表1中示出了一個(gè)90nm芯片的設(shè)計(jì)實(shí)例，該芯片中包含一個(gè)重復(fù)使用了20次的 RLM，采用HATS大量節(jié)省了CPU時(shí)間和占用的內(nèi)存。

表1HATS在芯片“P”上的應(yīng)用

5 RLM快速物理設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)

可重用的設(shè)計(jì)流程是縮短設(shè)計(jì)周期的關(guān)鍵。本文介紹的RLM快速物理設(shè)計(jì)方法，其優(yōu)點(diǎn)歸納起來有以下幾點(diǎn)：

1）IBMRLM層次化設(shè)計(jì)方法具備靈活有效的模塊劃分技術(shù)；

既可針對(duì)客戶的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行有針對(duì)性的RLM劃分，也可以在頂層針對(duì)物理設(shè)計(jì)的需求進(jìn)行易于物理實(shí)現(xiàn)的RLM模塊劃分，還可以綜合考慮客戶的設(shè)計(jì)要求和物理設(shè)計(jì)的需求進(jìn)行RLM劃分。

2）充分考慮了功耗及噪聲對(duì)于物理設(shè)計(jì)方面的影響；

在設(shè)計(jì)初始階段就進(jìn)行完備而合理的電源設(shè)計(jì)，DECAP插入，確保流片后不會(huì)因動(dòng)態(tài)或靜態(tài)電壓降的問題影響芯片的正常工作。

3）充分考慮信號(hào)完整性對(duì)于芯片設(shè)計(jì)的影響；

對(duì)于關(guān)鍵的線做屏蔽，比如時(shí)鐘樹，確保在驗(yàn)收階段盡可能準(zhǔn)確，減少不必要的冗余迭代。

4）完備的時(shí)序驗(yàn)收分析；

在IBMRLM設(shè)計(jì)流程中既引入多CORNER，統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)在設(shè)計(jì)開始階段就充分考慮了電壓降對(duì)于時(shí)序的影響，盡量避免了在驗(yàn)收階段由于時(shí)序問題所產(chǎn)生的迭代，并進(jìn)一步確保流片后芯片在時(shí)序上的功能與設(shè)計(jì)階段分析的一致性。

5）充分考慮RLM集成在頂層的邊界問題；

對(duì)于接口處進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)確保頂層集成時(shí)易于實(shí)現(xiàn)；

6）該設(shè)計(jì)方法具有很好的靈活性；

允許不同的工程師針對(duì)不同的RLM并行工作，而又可以共享利用統(tǒng)一的設(shè)計(jì)腳本，同時(shí)不影響頂層的并行評(píng)估。

7）設(shè)計(jì)方法易于更新和共享；

不同的工程師可以根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要更新設(shè)計(jì)腳本同時(shí)共享給其他設(shè)計(jì)者。

8）易于集成；

設(shè)計(jì)完成的RLM，可以抽取信息便于頂層集成快速進(jìn)行物理設(shè)計(jì)以及時(shí)序、信號(hào)完整性、功耗等方面的分析，同時(shí)在頂層驗(yàn)收分析時(shí)可以繞開RLM內(nèi)部路徑，直接打平RLM，進(jìn)行扁平化分析。

9）易于迭代；

當(dāng)工程師對(duì)一個(gè)RLM根據(jù)該方法進(jìn)行一次評(píng)估后，確定設(shè)計(jì)需要的腳本，之后可以根據(jù)客戶更新的ECO網(wǎng)表重新調(diào)用以前的預(yù)布局，電源等信息進(jìn)行快速的再評(píng)估，減少了交付市場(chǎng)的時(shí)間。

6 總結(jié)

對(duì)于大規(guī)模的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，層次化的設(shè)計(jì)策略是業(yè)界的方向，特別是規(guī)模龐大的系統(tǒng)采用層次化的設(shè)計(jì)把一個(gè)大的系統(tǒng)分成子模塊，對(duì)小的子模塊設(shè)計(jì)的收斂時(shí)間更容易把握，后端工程師可以并行的處理同一個(gè)設(shè)計(jì)。IBM先進(jìn)的子模塊快速設(shè)計(jì)流程提高了設(shè)計(jì)過程的可重用性，縮短了設(shè)計(jì)周期。