EDA技術和工具第九講

EDA技術和工具ElectronicDesignAutomation:TechniquesandTools后端設計（layout）熊曉明xmxiong@2013年contents集成電路設計和EDAASIC設計流程前端設計工藝庫HDL邏輯綜合與優(yōu)化各項設計指標的平衡（trade-off）測試設計（DFT）后端設計（layout）實體綜合（physicalcompiler）ECO和ManualEditing動態(tài)時序仿真靜態(tài)時序分析版圖驗證（DesignRuleChecking)后端設計、物理設計、實體設計（physicaldesign、backenddesign、layout）感謝：Prof.ErnestS.KuhofUC,Berkeley參考書數(shù)字集成電路物理設計(國家集成電路工程領域工程碩士系列教材)作者： 陳春章//艾霞//王國雄出版社： 科學出版社出版時間： 2008年08月 印刷時間： 2008年08月ISBN： 9787030220318VLSIPhysicalDesign:FromGraphPartitioningtoTimingClosure[精裝]AndrewB.Kahng(作者),JensLienig(作者),IgorL.Markov(作者),JinHu(作者)出版社:Springer;Edition.(2010年12月1日)精裝:324頁語種：英語ISBN:904819590X參考書VLSIDesignCycleSystemSpecificationArchitecturalDesignLogicDesignCircuitDesignPhysicalDesignFunctionalDesignFabricationPackagingFall2010ElectronicDesignAutomationIV-6Fall2010ElectronicDesignAutomationPhysicalDesignConvertthenetlistintoageometricrepresentation.Theoutcomeiscalledalayout.Fall2010ElectronicDesignAutomationIV-7Fall2010ElectronicDesignAutomation8物理設計是把電路信息轉(zhuǎn)換成foundry廠可用于掩膜的版圖信息的過程，它包括數(shù)據(jù)準備、布局、時鐘樹綜合、布線及DRC、LVS等步驟如右圖所示常用的布局布線工具有Synopsys公司的ICCompiler和Candance公司的SOC-Enconter。

PhysicalDesignCycleCircuitPartitioningFloorplanning&PlacementRoutingLayoutCompactionExtractionandVerificationFall2010ElectronicDesignAutomationIV-9Fall2010ElectronicDesignAutomation工具：ICCompiler內(nèi)容：partitioning、floorplanningplacementclocktreesynthesisrouting物理設計GeneralICCompilerFlowSynthesisDataSetupDesignPlanningPlacementClockTreeSynthesisRoutingChipFinishing

ThisUnit12圖113圖21415庫的建立做物理設計首先要建立referencelibraryReferencelibrary包括以下幾部分：standcelllibrary、padlibrary、macrocell（或IPlibrary）。Standcell包括inverters、buffers、ands、ors、nands、muxes、flip-flops等Padcell包括信號pad、電源地padMacro即設計中用到的一些宏模塊下頁以圖講解standcell、padcell、macro16四個conner位于芯片的四個角，起到連接四邊IOpad的作用。物理設計物理設計物理設計FloorplanningSetupaplanforagoodlayout.Placethemodules(modulescanbeblocks,functionalunits,etc.)atanearlystagewhendetailslikeshape,area,I/Opinpositionsofthemodules,…,arenotyetfixed.DeadspaceFall2010ElectronicDesignAutomationIV-20Fall2010ElectronicDesignAutomationFall2010ElectronicDesignAutomationFloorplanningProblemGivencircuitmodules(orcells)andtheirconnections,determinetheapproximatelocationofcircuitelementsConsistentwithahierarchical/buildingblockdesignmethodologyModules(resultofpartitioning):Fixedarea,generallyrectangularFixedaspectratiohardmacro(akafixed-shapedblocks)

fixed/floatingterminals(pins)

Rotationmightbeallowed/deniedFlexibleshapesoftmacro(akasoftmodules)(w1,h1)(wN,hN)IV-21Fall2010ElectronicDesignAutomationFall2010ElectronicDesignAutomationFloorplanning(cont.)Objectives:MinimizeareaDeterminebestshapeofsoftmodulesMinimizetotalwirelengthtomakesubsequentroutingphaseeasy

(shortwirelengthroughlytranslatesintoroutability)Additionalcostcomponents:Wirecongestion(exactroutabilitymeasure)WiredelaysPowerconsumptionPossibleadditionalconstraints:FixedlocationforsomemodulesFixeddie,orrangeofdieaspectratioNP-hardIV-22Fall2010ElectronicDesignAutomation23布圖規(guī)劃floorplan（布圖規(guī)劃）的主要內(nèi)容包含了對芯片大小（diesize）的規(guī)劃、芯片設計輸入輸出（IO）單元的規(guī)劃、宏模塊的規(guī)劃、電源網(wǎng)絡的設計等floorplan在整個流程中具有十分重要的地位，因為floorplan一旦確定，則整個芯片的面積就定下來了，同時它也與整個設計的timing和布通率（布線能否布通）有著密切的關系。基本上流程中的反復主要是發(fā)生在這一步中。如果這一步做得比較好，則后面oncepass的幾率就比較高，反之如果回溯到這一步，則花費的時間開銷就會很大。floorplan是物理設計中手工程度很大的工作24布圖規(guī)劃通常情況下，一個芯片由corearea和padarea組成25布圖規(guī)劃Padarea由以下幾個部分組成：1、Input/Output/InOutpads如右圖中Reset2、Powerpadsandconnerpads右圖上右上角那個CornerUR為一個connerpadsConnerpads的作用是連接其兩邊的Pads(連接襯底以及襯底以上的各個層)VDDVSS為Powerpads，其對外連接供電的封裝引腳，對芯片則起到供電的作用，Powerpads可以分為對core供電的pads和對IOpads供電的pads，所有的Pad都是由晶體管以及各層金屬構成的，Pad也是一個cell。26布圖規(guī)劃3、PadsfillersPadsfillers為圖中Filler所示，其作用為連接兩個兩鄰的pads(從襯底到各層金屬的相連)P/Grings所有信號pads、電源地pads、fillers、conners都是有電源地的引腳的，用金屬線把這些引腳相連，形成padarea上的一個環(huán)，稱為P/Grings,如果所有的pads都是無縫排列的，那么pads上的自身的金屬已經(jīng)相互連接成了P/Gring。FloorplanAfterInitializationUnplacedMacrocellsUnplacedStandardcellsCoreareawithsiterowsPeripherywithI/OpadcellsStartingFloorplan28布圖規(guī)劃Floorplan階段在corearea內(nèi)要確定macro的位置，可以通過飛線顯示macro的pins與io或其它macro的pins的連接關系，來幫助確定macro的位置Floorplan要進行預布線，即布電源地網(wǎng)絡。概述里面已經(jīng)講到從floorplan

placement

clocktreesynthesisrouting的流程。有兩個地方做了布線的工作即floorplan階段的電源地網(wǎng)絡的布線、routing階段的信號的詳細布線。PlacementExactplacementofthemodules(modulescanbegates,standardcells,etc.)whendetailsofthemoduledesignareknown.Thegoalistominimizethedelay,totalareaandinterconnectcost.vFeedthroughStandardcelltype1Standardcelltype2Fall2010ElectronicDesignAutomationIV-29Fall2010ElectronicDesignAutomationFall2010ElectronicDesignAutomationFall2010ElectronicDesignAutomationFall2010ElectronicDesignAutomation33布局在floorplan結束后，芯片的大小，電源網(wǎng)絡，macro的位置已經(jīng)確定了，接下來的工作是標準單元的布局工作。布局工作是時序驅(qū)動(timingdriven)的，即布局出來的結果要滿足時序的要求。ICC時序分析采用靜態(tài)時序分析(STA)，STA必須要獲得單元延時(celldelay)和線延時(netdelay)34布局ICC會計算每個單元的延時和每條線的延時單元的延時信息由foundry提供的單元庫文件提供為了計算線延時，ICC必需知道每條線的寄生電阻和寄生電容35布局在布局階段，實際的金屬線是不存在的，故需要有一種估計的方法估計線延時。在由RTL代碼到門級網(wǎng)表的綜合過程中，也需要用到STA，綜合階段對延時的估計基于WLM(WireLoadModel)。根據(jù)fanout估計R和C，這顯然和最終的版圖的實際結果有很大出入。36布局布局過程中，每個單元是有自己的物理位置的，我們就不再采用WLM去估計延時了，我們采用虛擬布線(virtualrouting)技術去估計延時。37布局綜合階段的時鐘信號和高扇出信號被定義成理想的和don’t_touch(綜合工具不對其進行插buffer的操作)的布局階段對高扇出(如reset、set、enable等)要進行高扇出綜合(HFS)。ICC布局階段的一個命令place_opt內(nèi)嵌了自動高扇出綜合(AutomaticHighFanoutSynthesis)時鐘樹的處理是在place之后，CTS(ClockTreeSynthesis)階段進行時鐘樹綜合的在布局階段我們需要模擬時鐘樹的影響38利用理想的時鐘網(wǎng)絡顯然過于樂觀，為了進一步接近實際的時鐘，skew,latency,transition的影響應當被模擬進來3940布局實際的時鐘樹網(wǎng)絡無法保證時鐘源點到該時鐘域內(nèi)所有寄存器的clk端的延時是絕對相等的，時鐘源點到不同寄存器的clk端的延時之差稱之為skew(偏斜)，我們用set_clock_uncertainty這個命令去模擬skew的影響。如set_clock_uncertainty0.3，單位是ns(取決.tf工藝文件里面所設單位)時鐘域內(nèi)寄存器的clk端可以稱之為匯點(sink),時鐘源點(source)到匯點的延時稱為latency，我們可以用set_clock_latency命令去模擬源點到匯點的延時，如：set_clock_latency1實際的時鐘信號跳變時間是不可能為零的，所以我們可以用set_clock_transition去模擬這個跳變時間如set_clock_transition0.141布局Corearea內(nèi)標準單元并不是可以隨意擺放的，所有的標準單元被設計成等高不等寬的，這樣所有的標準單元可以被放入同樣的placementrow里面，如圖所示42TimingdrivenplacementPlacement是時序驅(qū)動的，關鍵路徑上單元會被放得近一些，placement是時序驅(qū)動的同時，也是擁塞驅(qū)動(congestiondriven)的,標準單元的信號連接最終需要布線的，如果一個區(qū)域內(nèi)布線要求大于布線資源的話，就導致了擁塞，顯然標準單元過密集得擺放在一起就容易導致?lián)砣?，timing和congestion就變成了一對折衷的因素了。43在macro周圍我們會打上placementblockage,工具不會在placementblockage區(qū)域內(nèi)擺放標準單元，macro處pin處需要較多的布線資源，如果macro周圍較近區(qū)域被放置了標準單元，就可能導致?lián)砣漠a(chǎn)生。故需要在macro周圍打上blockage,在實驗視頻中可以看到這一步。布局44時鐘樹綜合(CTS)在大規(guī)模集成電路中，大部分時序元件的數(shù)據(jù)傳輸是由時鐘同步控制的時鐘頻率決定了數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)乃俣?，時鐘頻率是電路性能的最主要的標志。在集成電路進入深亞微米階段，決定時鐘頻率的主要因素有兩個，一是組合邏輯部分的最長電路延時，二是同步元件內(nèi)的時鐘偏斜(clockskew),隨著晶體管尺寸的減小，組合邏輯電路的開關速度不斷提高，時鐘偏斜成為影響電路性能的制約因素。時鐘樹綜合的主要目的是減小時鐘偏斜。以一個時鐘域為例，一個時鐘源點(source)最終要扇出到很多寄存器的時鐘端(sink)，從時鐘源扇出很大，負載很大，時鐘源是無法驅(qū)動后面如此之多的負載的。這樣就需要一個時鐘樹結構，通過一級一級的buffer去驅(qū)動最終的葉子結點(寄存器)。CTS流程46在未進行時鐘樹綜合之前，時鐘樹未生成，時鐘結構邏輯上如上圖所示,一個時鐘源端最終扇出到很多寄存器的時鐘端。47上圖是時鐘樹綜合好之后的結果，上圖中有三級buffer構成了一個時鐘樹。48在sdc文件中用create_clock命令創(chuàng)建時鐘，同時定義了時鐘源點如：Create_clock[get_pinsU_TOP_PAD/Pad_inout_PF5_CAM_PCLK/C]–nameCPCK-period10–waveform{05}這條命令在U_TOP_PAD/Pad_inout_PF5_CAM_PCLK/C這個pin處創(chuàng)建了時鐘，這個pin就是名為CPCK的時鐘的時鐘源點時鐘樹綜合(CTS)49由于時鐘樹的重要性，工具采用不同于一般布線規(guī)則的時鐘樹自己的布線規(guī)則時鐘樹綜合(CTS)50首先定義nondefaultroutingrule再指定CTS使用定義的my_route_rule-layer_list定義了CTS使用哪幾層金屬走線時鐘樹綜合(CTS)51ICC在placement階段提供了一個命令place_opt，請參看run_icc_record.tcl，可以看出placement階段腳本結構是先進行一系列的設置，再通過place_opt命令讓工具根據(jù)設計者的設置約束等完成布局工作。ICC在時鐘樹綜合階段也提供了一個命令clock_opt，clock_opt命令根據(jù)設計者的設置和約束自動完成時鐘樹綜合的工作。布線階段也有一個類似的命令：route_opt整個流程中，除了floorplan階段需要較多的手工活之外，placement、CTS、routing階段可以說就是設計者通過修改腳本和約束，然后讓工具自動完成工作。這也是ICCompiler工具強大之處。時鐘樹綜合(CTS)52CTS在placement之后完成，就有可能對原來的placement的結果產(chǎn)生影響，如clock

Buffers插入之后，就有可能導致?lián)砣漠a(chǎn)生，為了插入clockbuffers可能會輕微移動原來的placement階段放置的標準單元，原來的placement是時序驅(qū)動的，移動就可能導致時序的不滿足，產(chǎn)生違規(guī)（violation）。53Clock_opt完成之后，一般都應該使用一個命令psynopt去做一次增量優(yōu)化，psynopt這個命令的作用就是在原有基礎上做增量優(yōu)化。在placement階段，place_opt之后，也需要用psynopt做一次增量優(yōu)化，可以參考看run_icc_record.tcl腳本。在做完CTS之后，實驗中也就是跑完run_icc_record.tcl里面至CTS部分結束，可以報出時序信息，通過以下命令報時序信息：report_constraint–all報出所有時序違規(guī)（violations），我們暫且只關注setup違規(guī)，setup違規(guī)直接制約頻率能跑多高，對于hold的違規(guī)只需要通過插buffer增加延時就可以解決。report_clocks報出時鐘的信息report_timing–from-to報出具體路徑的時序信息以上命令都可以加-help選項查看幫助信息，如report_timing–help想查看一個命令的詳細用法，可以man命令,如manreport_timing時鐘樹綜合(CTS)時鐘樹綜合總結RoutingCompletetheinterconnectionsbetweenmodules.Factorslikecriticalpath,clockskew,wirespacing,etc.,areconsidered.Includeglobalroutinganddetailedrouting.FeedthroughType1standardcel1Type2standardcellvFall2010ElectronicDesignAutomationIV-55Fall2010ElectronicDesignAutomationFall2010ElectronicDesignAutomationFall2010ElectronicDesignAutomation58Routing59Routing時鐘樹結束之后，接下來的工作是布線(routing)Floorplan階段，生成電源地網(wǎng)絡時已經(jīng)完成了電源地網(wǎng)絡的布線，routing階段主要是標準單元的信號線的連接，floorplan階段給標準單元供電的rail已經(jīng)生成，place結束后標準單元上下兩邊都放在了rail上面。實驗中采用6層金屬工藝，層與層之間通過via孔相連60先介紹基于格點的布線理論Routing61在上頁圖中，黃色和藍色的虛線稱之為track，track是沒有實際寬度的，但兩條track之間有間距稱之為pitch，基于格點的布線要求所有的金屬走線要走在track之上，而實際走出的金屬線稱之為trace，trace是有寬度的。不同的金屬線走線方向是不同的，奇數(shù)層金屬默認走水平方向，偶數(shù)層默認走豎直方向。兩條track的交點稱之為gridpoint標準單元的高寬都被設計成了pitch的