陳力穎，陳旭洲，李 勇，劉宏偉

（1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)天津市光電檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；3.臺(tái)州國(guó)晶智芯科技有限公司，浙江臺(tái)州 318014）

隨著現(xiàn)在芯片工藝技術(shù)的飛速發(fā)展，單一芯片所包含模塊越來(lái)越多，設(shè)計(jì)復(fù)雜性也大大增加[1]。布圖規(guī)劃（Floorplan）在大規(guī)模芯片設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用，芯片所包含的模塊越多，F(xiàn)loorplan 的重要性就越能得到體現(xiàn)，所以確定各個(gè)宏單元（Macro）在芯片上的位置就成為Floorplan 的首要任務(wù)。Macro 的位置決定著芯片的可利用面積、布線空間和模塊間通信距離，進(jìn)而影響芯片的性能、良品率和可靠性[2]，但是在芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化的大背景下，這項(xiàng)工作仍然由人工進(jìn)行。工程師在Macro 放置過程中需要綜合多種因素，不斷嘗試迭代得出最優(yōu)方案。這項(xiàng)工作不僅耗時(shí)巨大，且計(jì)算量巨大，無(wú)法得出最優(yōu)方案。各大電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）工具廠商也提出相應(yīng)的解決方案，但是由于沒有優(yōu)秀的約束而很少被使用[3]。

為解決人工放置Macro 出現(xiàn)的結(jié)果不理想問題，本文以Innovus 軟件的超級(jí)命令PlanDesign 為基礎(chǔ)，共設(shè)計(jì)2 種約束方案：方案1 為基于Module 約束的Macro 擺放，首要考慮標(biāo)準(zhǔn)單元與Macro 的連接情況；方案2 為基于Macro 約束的Macro 擺放，首要考慮Macro 擺放形狀。

為驗(yàn)證2 種約束方案的好壞，與已經(jīng)流片的布圖規(guī)劃在標(biāo)準(zhǔn)單元擺放（Place）后的時(shí)序情況、時(shí)間、功耗、時(shí)鐘樹關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分布進(jìn)行對(duì)比。其中芯片包含144個(gè)Macro，約1 500 萬(wàn)門，芯片面積約為5 mm×5 mm。

1 宏單元的自動(dòng)擺放

1.1 宏單元放置規(guī)則

對(duì)于絕大多數(shù)設(shè)計(jì)，Macro 的擺放規(guī)則基本相同[4]。Macro 盡可能擺放在與之通信的輸入輸出口（I/O）的位置附近[5]。通常對(duì)于關(guān)鍵Macro，它們不僅面積較大，還需要與其他Macro 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，與標(biāo)準(zhǔn)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或通過I/O 與芯片外的各種器件進(jìn)行通訊[6-7]。因此擺放在相應(yīng)數(shù)據(jù)端口附近，有利于減小互連線長(zhǎng)度，減少線上延時(shí)，并且節(jié)約布線資源[8]。大型Macro靠近c(diǎn)ore 的邊緣和角落放置也有利于提升芯片利用率。

為了保證有足夠的布線空間，Macro 與Macro 之間要留有一定空隙，特別是在Macro 的空隙有端口的時(shí)候更是如此[9-10]。通常，需要通過相鄰Marco 邊界上端口的多少來(lái)決定留有多大的空隙比較合適[11]。Macro與Macro 之間的空隙要使用Soft Placement Blockage 進(jìn)行覆蓋。Macro 空隙示意如圖1 所示。對(duì)于一般設(shè)計(jì)，線長(zhǎng)超過200 nm 就可能出現(xiàn)transition 違例；對(duì)于橫跨Macro 的互連線來(lái)說(shuō)，如果Macro 之間留出空隙就可以在空隙中插入Buffer 來(lái)修正違例。Soft Placement Blockage 可以防止標(biāo)準(zhǔn)單元將空隙完全填充，為Buffer插入留出空間。

圖1 Macro 空隙示意圖Fig.1 Diagram of macro void

對(duì)Macro 進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆D(zhuǎn)以保證Macro 擺放在合適的角度[12]。在考量Macro 擺放的角度時(shí)，不僅僅考慮空間擺放的因素，還要根據(jù)端口的連接關(guān)系與互連模塊的位置來(lái)決定[13]。存儲(chǔ)模塊的端口方向盡可能朝向芯片內(nèi)部，因?yàn)橹虚g的標(biāo)準(zhǔn)單元需要與存儲(chǔ)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，存在互連關(guān)系。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要根據(jù)端口與標(biāo)準(zhǔn)單元之間的連接關(guān)系，還要考慮Macro 與Macro 之間的互連關(guān)系進(jìn)行綜合判斷[14]。

1.2 PlanDesign 流程

PlanDesign 是Innovus 專門為Macro 擺放自動(dòng)化設(shè)計(jì)的超級(jí)命令，可以根據(jù)所給的約束條件自動(dòng)擺放Macro[15]。命令可分為基于Module 和基于Macro 的2 種擺放模式，不同的模式下所得到的結(jié)果不同，但都會(huì)綜合如線長(zhǎng)、面積等因素經(jīng)過大量計(jì)算得出最優(yōu)結(jié)果。

但是單獨(dú)使用PlanDesign 命令所得到的結(jié)果并不理想[16]。在使用PlanDesign 命令之前，需要對(duì)工具人為設(shè)置一些約束。約束的核心是種子（seed），在設(shè)計(jì)中一般選取關(guān)鍵器件作為種子，讓PlanDesign 按照選取的種子去擺放Macro。種子的選取可以為Hard Macro，也可以為Hierarchical Modules。選取種子之后，需要在種子上施加約束?？墒┘拥募s束包含Module 的長(zhǎng)寬比、Module 的利用率、Macro 與Macro 之間的最小間距等。工具會(huì)綜合種子的選擇、種子上的約束還有其他Floorplan 約束進(jìn)行擺放。

對(duì)于大量Macro，工具會(huì)使用一種特殊的擺放引擎Mix Placer 來(lái)確定Module 的位置。Mix Placer 會(huì)使用很短的時(shí)間粗略地?cái)[放一遍Macro 和標(biāo)準(zhǔn)單元，工具基于這個(gè)粗略的擺放結(jié)果來(lái)確定Module 位置，然后采用虛擬墻（Virtual Wall）把Module 推向芯片邊界，再重新細(xì)致得去擺放Macro。因?yàn)榭紤]到了標(biāo)準(zhǔn)單元的分布，所以通常來(lái)說(shuō)結(jié)果會(huì)更好[17-18]。圖2 為PlanDesign工作流程。

圖2 PlanDesign 工作流程Fig.2 Workflow of PlanDesign

2 自動(dòng)擺放約束條件

設(shè)計(jì)芯片為正方形，包含2 個(gè)模擬單元：PLL 與RTC。先將模擬單元固定并且用CutRow 對(duì)其進(jìn)行隔離，之后指定I/O 單元的位置。由于時(shí)鐘樹綜合需要，將關(guān)鍵Module 放置在指定區(qū)域并且設(shè)置為region。完成后的Floorplan 如圖3 所示，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖3 完成后的FloorplanFig.3 Floorplan after completion

2.1 基于Module 的約束條件

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，Macro 與Macro 之間必須留有15～20 μm 的間距（不包含halo）。首先需要在約束文件外進(jìn)行setPlanDesignMode 設(shè)置，來(lái)規(guī)定Macro 之間、Macro 邊界之間的距離和工具運(yùn)行狀態(tài)。

以下為setPlanDesignMode 設(shè)置命令：

基于Module 的約束要盡可能將所有非人為干預(yù)的Module 設(shè)置為種子。工具會(huì)依據(jù)邏輯連接關(guān)系將與Module 連接的一組Macro 擺放在一起。但是工具并不會(huì)考慮Macro 的擺放位置。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到如下最佳約束效果。

約束1：理論上Macro 擺放在core 的四周，中間盡可能的形成方形區(qū)域有利于繞線，由于芯片長(zhǎng)寬比為1∶1，所以設(shè)置Module 長(zhǎng)寬比為1∶1，使工具盡可能地為中心留出方形區(qū)域。約束2：將擺放后的關(guān)鍵Module設(shè)置為fence，但是由于有些單元需要橫跨很長(zhǎng)的區(qū)域進(jìn)行連接，所以其余非關(guān)鍵Module 不設(shè)置任何約束。約束3：關(guān)鍵Module 的利用率設(shè)置為70%左右，為了使標(biāo)準(zhǔn)單元更為密集，需要高于Floorplan 利用率。由于本設(shè)計(jì)Floorplan 利用率為70%，所以關(guān)鍵Module的利用率設(shè)置為75%。約束4：通過Module 與邊界距離的設(shè)定可以強(qiáng)行將Module 推到芯片中央，使標(biāo)準(zhǔn)單元位置相對(duì)集中，有利于時(shí)序。

以下為一個(gè)關(guān)鍵Module 的約束條件：

根據(jù)以上約束擺放后的結(jié)果如圖4 所示。由圖4可以看到工具對(duì)Macro 進(jìn)行了適當(dāng)?shù)姆D(zhuǎn)，且中心盡可能的留出了方形。雖然Macro 之間存在少量dead area，但是Macro 與Macro 之間、Macro 與標(biāo)準(zhǔn)單元之間通信距離更短，更有利于芯片時(shí)序收斂。

圖4 基于Module 的擺放結(jié)果Fig.4 Placement results based on Module

2.2 基于Macro 的約束條件

使用Macro 作為種子時(shí)，可以設(shè)定Macro 的方向、上下左右的間距等，可人為進(jìn)行干預(yù)的條件不多。但是經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于Macro 的大小、形狀不同，所以種子選取時(shí)，不同形狀的Macro 至少需要一個(gè)作為種子。并且將關(guān)鍵的Macro 不作為種子的選擇，需要手動(dòng)放置在合適位置并設(shè)置為Fix，并進(jìn)行約束。

約束1：根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)置Macro 上下左右的間距值。約束2：設(shè)置Macro 方向，使出PIN 方向朝向芯片中心。約束3：設(shè)置Macro 到core 邊界的最小距離。

以下為一個(gè)Macro 的約束條件：

基于Macro 的約束擺放結(jié)果如圖5 所示。

圖5 基于Macro 的擺放結(jié)果Fig.5 Placement results based on Macro

由圖5 可知，手動(dòng)微調(diào)后可以看出Macro 擺放相較于基于Module 的約束要更加整齊，但是連接關(guān)系不如前者。

3 結(jié)果對(duì)比

將2 種約束擺放后的Floorplan 與已經(jīng)流片測(cè)試成功的Floorplan 進(jìn)行對(duì)比。三者都進(jìn)行相同的電源規(guī)劃與電源繞線（PPPR）。芯片一共8 層，Macro 電源引腳位于M4 層，其中M6 層給Followpin 與豎向Macro供電，寬度10 μm，間距70 μm。M7 層給M6 層與橫向Macro 供電，其余層數(shù)為繞線留出空間。

以下對(duì)通過標(biāo)準(zhǔn)單元擺放（Place）之后的setup的大小、時(shí)間、功耗以及時(shí)鐘關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分布進(jìn)行比較分析。

3.1 setup 檢查結(jié)果與時(shí)間對(duì)比

Floorplan 的質(zhì)量直接影響Place 之后的時(shí)序。3 種Floorplan 之后setup 檢查結(jié)果如表1—表3 所示。

表1 原始setup 結(jié)果Tab.1 Original setup result

表2 Muduel 約束setup 結(jié)果Tab.2 Muduel constraint setup result

表3 Macro 約束setup 結(jié)果Tab.3 Macro constraint setup result

由表1—表3 可見，無(wú)論是基于Module 約束的Floorplan，還是基于Macro 約束的Floorplan，其setup結(jié)果均接近于原始結(jié)果。

原始Floorplan 是經(jīng)過多日多次運(yùn)行flow 迭代產(chǎn)生的，耗費(fèi)大量時(shí)間。而另2 種自動(dòng)擺放的Floorplan分別僅耗時(shí)30 min 和34 min。單純對(duì)擺放時(shí)間對(duì)比，不考慮質(zhì)量情況下，設(shè)計(jì)包含的144 個(gè)Macro，人為進(jìn)行擺放至少需要2.5 h，可見時(shí)間消耗大約為自動(dòng)擺放的5 倍80%。如果考慮迭代時(shí)間，則減少Floorplan 階段的時(shí)間更加可觀，這就為以后手動(dòng)修改電路（ECO）工作留出足夠的時(shí)間。

3.2 功耗對(duì)比

由于在自動(dòng)擺放Macro 時(shí)充分考慮了邏輯單元的連接情況，所以相較于原始Floorplan 有連接關(guān)系的Macro 之間距離更近，Place 之后標(biāo)準(zhǔn)單元與標(biāo)準(zhǔn)單元更近，所以線長(zhǎng)更短，工具修復(fù)前時(shí)序情況更好，更好的時(shí)序使得時(shí)序修復(fù)時(shí)低閾值電壓的單元和所插入的Buffer 更少。表4 為功耗時(shí)比結(jié)果。由表4 可見，2種約束功耗分別為原始功耗的95%與96.7%。

表4 功耗對(duì)比Tab.4 Comparison of power consumption

3.3 時(shí)鐘關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分布對(duì)比

Place 之后的時(shí)鐘關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分布直接關(guān)系到時(shí)鐘樹的質(zhì)量，進(jìn)而影響到功耗與芯片性能。本文對(duì)比3種Floorplan 主時(shí)鐘sink 的上一級(jí)節(jié)點(diǎn)，也就是sink扇出點(diǎn)的位置，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)對(duì)比Fig.6 Comparison of clock node

由圖6 可見，原始Floorplan 與基于Macro 約束的Floorplan 主時(shí)鐘分為2 組散開，而基于Module 約束的Floorplan 是匯聚成一組進(jìn)行散開。對(duì)于時(shí)鐘樹綜合基于Module 約束的Floorplan 要更好。這也體現(xiàn)出基于Module 的Floorplan 對(duì)邏輯連接性的考慮要更多。

4 結(jié) 論

（1）通過本文提出的約束條件自動(dòng)擺放的Floorplan 與傳統(tǒng)人工擺放的原始Floorplan 相比，時(shí)間節(jié)省約80%，如果考慮質(zhì)量，時(shí)間節(jié)省更為明顯。

（2）Place 之后的時(shí)序與原始Floorplan 的時(shí)序無(wú)惡化情況，功耗分別降低5%和3.3%；時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)分布與原始Floorplan 相同或更為密集。