實現宏單元高質量自動擺放的約束

陳力穎，陳旭洲，李 勇，劉宏偉

（1.天津工業大學電子與信息工程學院，天津 300387；2.天津工業大學天津市光電檢測技術與系統重點實驗室，天津 300387；3.臺州國晶智芯科技有限公司，浙江臺州 318014）

隨著現在芯片工藝技術的飛速發展，單一芯片所包含模塊越來越多，設計復雜性也大大增加[1]。布圖規劃（Floorplan）在大規模芯片設計中起著至關重要的作用，芯片所包含的模塊越多，Floorplan 的重要性就越能得到體現，所以確定各個宏單元（Macro）在芯片上的位置就成為Floorplan 的首要任務。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，進而影響芯片的性能、良品率和可靠性[2]，但是在芯片設計自動化的大背景下，這項工作仍然由人工進行。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方案。這項工作不僅耗時巨大，且計算量巨大，無法得出最優方案。各大電子設計自動化（EDA）工具廠商也提出相應的解決方案，但是由于沒有優秀的約束而很少被使用[3]。

為解決人工放置Macro 出現的結果不理想問題，本文以Innovus 軟件的超級命令PlanDesign 為基礎，共設計2 種約束方案：方案1 為基于Module 約束的Macro 擺放，首要考慮標準單元與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。

為驗證2 種約束方案的好壞，與已經流片的布圖規劃在標準單元擺放（Place）后的時序情況、時間、功耗、時鐘樹關鍵節點分布進行對比。其中芯片包含144個Macro，約1 500 萬門，芯片面積約為5 mm×5 mm。

1 宏單元的自動擺放

1.1 宏單元放置規則

對于絕大多數設計，Macro 的擺放規則基本相同[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]。通常對于關鍵Macro，它們不僅面積較大，還需要與其他Macro 進行數據交換，與標準單元進行數據交換或通過I/O 與芯片外的各種器件進行通訊[6-7]。因此擺放在相應數據端口附近，有利于減小互連線長度，減少線上延時，并且節約布線資源[8]。大型Macro靠近core 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 進行覆蓋。Macro 空隙示意如圖1 所示。對于一般設計，線長超過200 nm 就可能出現transition 違例；對于橫跨Macro 的互連線來說，如果Macro 之間留出空隙就可以在空隙中插入Buffer 來修正違例。Soft Placement Blockage 可以防止標準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Macro 進行適當的翻轉以保證Macro 擺放在合適的角度[12]。在考量Macro 擺放的角度時，不僅僅考慮空間擺放的因素，還要根據端口的連接關系與互連模塊的位置來決定[13]。存儲模塊的端口方向盡可能朝向芯片內部，因為中間的標準單元需要與存儲模塊進行數據交換，存在互連關系。在實際設計時，不僅要根據端口與標準單元之間的連接關系，還要考慮Macro 與Macro 之間的互連關系進行綜合判斷[14]。

1.2 PlanDesign 流程

PlanDesign 是Innovus 專門為Macro 擺放自動化設計的超級命令，可以根據所給的約束條件自動擺放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果不同，但都會綜合如線長、面積等因素經過大量計算得出最優結果。

但是單獨使用PlanDesign 命令所得到的結果并不理想[16]。在使用PlanDesign 命令之前，需要對工具人為設置一些約束。約束的核心是種子（seed），在設計中一般選取關鍵器件作為種子，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。可施加的約束包含Module 的長寬比、Module 的利用率、Macro 與Macro 之間的最小間距等。工具會綜合種子的選擇、種子上的約束還有其他Floorplan 約束進行擺放。

對于大量Macro，工具會使用一種特殊的擺放引擎Mix Placer 來確定Module 的位置。Mix Placer 會使用很短的時間粗略地擺放一遍Macro 和標準單元，工具基于這個粗略的擺放結果來確定Module 位置，然后采用虛擬墻（Virtual Wall）把Module 推向芯片邊界，再重新細致得去擺放Macro。因為考慮到了標準單元的分布，所以通常來說結果會更好[17-18]。圖2 為PlanDesign工作流程。

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

2 自動擺放約束條件

設計芯片為正方形，包含2 個模擬單元：PLL 與RTC。先將模擬單元固定并且用CutRow 對其進行隔離，之后指定I/O 單元的位置。由于時鐘樹綜合需要，將關鍵Module 放置在指定區域并且設置為region。完成后的Floorplan 如圖3 所示，并在此基礎上進行實驗。

圖3 完成后的FloorplanFig.3 Floorplan after completion

2.1 基于Module 的約束條件

根據設計要求，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行setPlanDesignMode 設置，來規定Macro 之間、Macro 邊界之間的距離和工具運行狀態。

以下為setPlanDesignMode 設置命令：

基于Module 的約束要盡可能將所有非人為干預的Module 設置為種子。工具會依據邏輯連接關系將與Module 連接的一組Macro 擺放在一起。但是工具并不會考慮Macro 的擺放位置。經過反復實驗，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域有利于繞線，由于芯片長寬比為1∶1，所以設置Module 長寬比為1∶1，使工具盡可能地為中心留出方形區域。約束2：將擺放后的關鍵Module設置為fence，但是由于有些單元需要橫跨很長的區域進行連接，所以其余非關鍵Module 不設置任何約束。約束3：關鍵Module 的利用率設置為70%左右，為了使標準單元更為密集，需要高于Floorplan 利用率。由于本設計Floorplan 利用率為70%，所以關鍵Module的利用率設置為75%。約束4：通過Module 與邊界距離的設定可以強行將Module 推到芯片中央，使標準單元位置相對集中，有利于時序。

以下為一個關鍵Module 的約束條件：

根據以上約束擺放后的結果如圖4 所示。由圖4可以看到工具對Macro 進行了適當的翻轉，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 與標準單元之間通信距離更短，更有利于芯片時序收斂。

圖4 基于Module 的擺放結果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，可以設定Macro 的方向、上下左右的間距等，可人為進行干預的條件不多。但是經過實驗發現，由于Macro 的大小、形狀不同，所以種子選取時，不同形狀的Macro 至少需要一個作為種子。并且將關鍵的Macro 不作為種子的選擇，需要手動放置在合適位置并設置為Fix，并進行約束。

約束1：根據設計要求設置Macro 上下左右的間距值。約束2：設置Macro 方向，使出PIN 方向朝向芯片中心。約束3：設置Macro 到core 邊界的最小距離。

以下為一個Macro 的約束條件：

基于Macro 的約束擺放結果如圖5 所示。

圖5 基于Macro 的擺放結果Fig.5 Placement results based on Macro

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

3 結果對比

將2 種約束擺放后的Floorplan 與已經流片測試成功的Floorplan 進行對比。三者都進行相同的電源規劃與電源繞線（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，其余層數為繞線留出空間。

以下對通過標準單元擺放（Place）之后的setup的大小、時間、功耗以及時鐘關鍵節點分布進行比較分析。

3.1 setup 檢查結果與時間對比

Floorplan 的質量直接影響Place 之后的時序。3 種Floorplan 之后setup 檢查結果如表1—表3 所示。

表1 原始setup 結果Tab.1 Original setup result

表2 Muduel 約束setup 結果Tab.2 Muduel constraint setup result

表3 Macro 約束setup 結果Tab.3 Macro constraint setup result

由表1—表3 可見，無論是基于Module 約束的Floorplan，還是基于Macro 約束的Floorplan，其setup結果均接近于原始結果。

原始Floorplan 是經過多日多次運行flow 迭代產生的，耗費大量時間。而另2 種自動擺放的Floorplan分別僅耗時30 min 和34 min。單純對擺放時間對比，不考慮質量情況下，設計包含的144 個Macro，人為進行擺放至少需要2.5 h，可見時間消耗大約為自動擺放的5 倍80%。如果考慮迭代時間，則減少Floorplan 階段的時間更加可觀，這就為以后手動修改電路（ECO）工作留出足夠的時間。

3.2 功耗對比

由于在自動擺放Macro 時充分考慮了邏輯單元的連接情況，所以相較于原始Floorplan 有連接關系的Macro 之間距離更近，Place 之后標準單元與標準單元更近，所以線長更短，工具修復前時序情況更好，更好的時序使得時序修復時低閾值電壓的單元和所插入的Buffer 更少。表4 為功耗時比結果。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 功耗對比Tab.4 Comparison of power consumption

3.3 時鐘關鍵節點分布對比

Place 之后的時鐘關鍵節點分布直接關系到時鐘樹的質量，進而影響到功耗與芯片性能。本文對比3種Floorplan 主時鐘sink 的上一級節點，也就是sink扇出點的位置，結果如圖6 所示。

圖6 時鐘節點對比Fig.6 Comparison of clock node

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

4 結 論

（1）通過本文提出的約束條件自動擺放的Floorplan 與傳統人工擺放的原始Floorplan 相比，時間節省約80%，如果考慮質量，時間節省更為明顯。

（2）Place 之后的時序與原始Floorplan 的時序無惡化情況，功耗分別降低5%和3.3%；時鐘節點分布與原始Floorplan 相同或更為密集。