面向有挑戰(zhàn)性功能塊的時序收斂技術(shù)

摘要：
時序收斂始終是高性能處理器的一個大問題。如測試尺寸、有用偏斜等平常技術(shù)可能不足以解決某些案例中違規(guī)行為。本文將探討以前深亞微米項目中所用的一些技術(shù)，這些技術(shù)以眾所周知的功能為基礎(chǔ)，但卻不局限于這些功能，包括：預(yù)測塊級邊界時序問題、增量布局迭代、時鐘門控克隆戰(zhàn)略選擇、采用線路延時最大程度降低不同時序角點下延時差異。.

關(guān)鍵詞索引：時序收斂、邊界時序、布局迭代、時鐘門控克隆、線路延時

第I章：介紹

物理設(shè)計中，時序收斂一直是個問題，解決這個問題的方法多式多樣。本文將探討幾種可幫助盡早檢測到可能要在非常晚期設(shè)計階段才會出現(xiàn)的問題以及降低正常PR階段TNS（負余量總和）的方法。這些方法以Magma Talus現(xiàn)有功能為基礎(chǔ)，但功能的使用有經(jīng)過進一步擴展或是重新考量。

第II章：繞障I/O密度地圖

隨著芯片規(guī)模的日益壯大，層次化設(shè)計正逐漸成為許多芯片設(shè)計的一種常用方法。在層次化設(shè)計中，最高層設(shè)計師（top level designer）會將整個芯片劃分為多個小塊。每個小塊作為一個獨立功能塊，將貫穿整個物理設(shè)計流程，最后再由最高層設(shè)計師將這些小塊集成為完整芯片。這樣一來，集成的時候塊邊界難免會有時序和布線問題。通常，這些問題的修復(fù)技術(shù)是要落實到功能塊上，將由塊設(shè)計師（block designers）應(yīng)用以進行修復(fù)工作。

在一些案例中，功能塊設(shè)計師將發(fā)現(xiàn)很難在布線后晚期階段修復(fù)這些邊界問題，這會導(dǎo)致項目進度大大延遲。

圖1是一例這種問題。在功能塊左上角有個大型宏，它占用了許多布線層，在其周圍區(qū)域造成了非常高的擁塞情況。圖中加亮線是貫穿這個區(qū)域的一條路徑，中間插入了幾個緩沖區(qū)。有幾點應(yīng)多加注意：

1.這條路徑是往下走的，因為在大型宏的北面沒有足夠空間用于緩沖區(qū)、沒有足夠?qū)к売糜诓季€。
2.線路中間部分由于高度擁塞布線而呈割階狀態(tài)。
3.很難這個宏旁邊找個位置插入新的緩沖區(qū)以修復(fù)轉(zhuǎn)換和建立違規(guī)。

上述第1點和第2 點是導(dǎo)致最高層時序差的罪魁禍首，第3點則是導(dǎo)致這個問題難以修復(fù)的原因所在。布線后功能塊層中內(nèi)部狀態(tài)對于時序和布線來說還是很不錯的；但當最高層設(shè)計師開始修復(fù)這個時序問題后，插入了許多單元，布線也發(fā)生了很大變化，這些均使得內(nèi)部時序和布線變得更為糟糕且難以融合。

原因相當簡單：沒有足夠資源可留給最高層設(shè)計師來修復(fù)這個時序問題。但如何才能讓塊設(shè)計師知道他需要在哪里保留資源和保留多少資源呢？功能塊設(shè)計后內(nèi)部時序和布局很不錯，這時要假設(shè)將會有問題時真得特別困難。

通過分析具有類似問題的一些功能塊后，我們發(fā)現(xiàn)了幾個能反映最高層設(shè)計潛在困難的指標，比如：邊界網(wǎng)路繞障嚴重程度。繞障（Detour）雖可在一定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)好的DRC（設(shè)計規(guī)則檢查）數(shù)目，但這好DRC背后卻隱藏著問題。對于擁塞嚴重的區(qū)域，時序水平一直在降低，新插入的單元先是會讓好的布線變差，然后還會變得不可布線。

為了評估邊界網(wǎng)路繞障嚴重程度，設(shè)計師首先要計算這些網(wǎng)路的密度，接著再以顏色直觀顯示其嚴重級別。這個過程分為5個步驟：

1.顯示功能塊的I/O引腳密度。
2.調(diào)整初始平面布局和引腳分布以避免明顯的擁塞問題。
3.找出所有連接I/O引腳的繞障網(wǎng)路
4.顯示所有連接繞障網(wǎng)路的I/O引腳的密度。
5.根據(jù)步驟調(diào)整平面布局和引腳分布。

關(guān)鍵是第4步，它意味著最高層修復(fù)工作哪里將存在潛在困難。每個步驟的詳細內(nèi)容如下所述：

步驟1
首先，你可將每個邊界分為多個小段；可基于個人喜好，設(shè)50um或100um作為一段長度。其次，計算出每小段中所有非PG（non-PG）引腳數(shù)量，基于每段中引腳數(shù)以不同顏色來加亮這些片段；為每小段選擇適當顏色閾值很重要，因為它直接影響到你對一個區(qū)域是否具有高引腳密度的印象。設(shè)計師可基于之前項目經(jīng)驗來設(shè)置顏色。你需要將所有信號引腳層、類似模擬的特殊引腳層都計算在內(nèi)，但電源引腳除外?？梢暡糠挚梢酝ㄟ^命令“ui layout sketch line …”繪制，而所有其它部分則可通過自帶Tcl來完成。

步驟2
步驟2中顯示了在一些區(qū)域里I/O引腳密度高，那么我們需將存儲器從高密度區(qū)域（白色區(qū)域最高，紅色區(qū)域其次）移出。

步驟3
完成布線后，接下來是要找出所有連接I/O引腳的繞障網(wǎng)路。判斷一個網(wǎng)路是否是繞障網(wǎng)路，可通過對比網(wǎng)路線長與其所連接引腳的曼哈頓距離（Manhattan distance）來完成。設(shè)計師可依據(jù)個人需求來設(shè)置20%或30%作為閾值；當然若能設(shè)置最短長度就更好了，這樣就可忽略不計比它更短的網(wǎng)路；若沒有這個設(shè)置，設(shè)計師將會看到許多短的“繞障”網(wǎng)路，而實際上這些都是錯誤警報。

在測試功能塊中，1對1連接占了絕大部分?；谶@點，作者假設(shè)忽略多連接網(wǎng)路不會對最終結(jié)果有任何影響，因此此次demo只計算了一個輸入一個輸出的網(wǎng)路，大大簡化了計算腳本編寫。當然，這種假設(shè)還需要經(jīng)過其它設(shè)計的驗證。

這次計算將產(chǎn)生一張所有繞障I/O網(wǎng)路名單。不過，如果直接就加亮所有這些網(wǎng)路（如圖3），設(shè)計師幾乎說不出哪里布線真的很差，哪里還不錯可以繼續(xù)當前布線。

圖3中上區(qū)域看起來最為擁擠，但事實上，它既不是根源所在，也不是最關(guān)鍵區(qū)域。我們需要以另一種可直接反映問題所在的方式來提供信息。