【芯片設(shè)計(jì)】從RTL到GDS（六）：芯片物理設(shè)計(jì)

倒序?yàn)g覽 · 發(fā)表于 2024-9-13 11:58:00

本篇文章將進(jìn)入芯片的Physical Domain，后面的幾篇文章也都是物理設(shè)計(jì)相關(guān)的內(nèi)容，本系列文章側(cè)重于從電路的角度去思考，而不是從EDA的領(lǐng)域思考，對(duì)這方面的實(shí)現(xiàn)算法特別感興趣的可以看EDA相關(guān)的課程。本篇文章有一些圖片也來自下面這兩個(gè)知乎文章介紹的一些課程（請(qǐng)見閱讀原文），不一一說明了，在此表示感謝。接下來進(jìn)入課程內(nèi)容：

本節(jié)課的課程大綱如下所示：

1、Moving to physical domain在之前的文章中，我們已經(jīng)講解了芯片的前端設(shè)計(jì)流程，現(xiàn)在我們將正式進(jìn)入芯片后端的學(xué)習(xí)。芯片后端設(shè)計(jì)，也稱為物理設(shè)計(jì)，是在前端設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行的。它涉及到將前端設(shè)計(jì)得到的網(wǎng)表轉(zhuǎn)換為實(shí)際的幾何形狀，即進(jìn)行布局和布線（Place and Route, P&R）。后端設(shè)計(jì)還包括芯片的時(shí)序分析、功耗分析、信號(hào)完整性分析、熱分析等多個(gè)方面。后端設(shè)計(jì)工程師需要確保芯片的物理設(shè)計(jì)滿足所有性能和制造的要求。
1.1、Floorplanning我們看一下后端每一步的流程。物理設(shè)計(jì)的基石，同時(shí)也是第一步，便是Floorplanning，中文名一般叫做布局規(guī)劃。這個(gè)過程包括了對(duì)設(shè)計(jì)中較大的或重要的部分進(jìn)行空間分配和布局決策，比如數(shù)字、模擬電路的位置、面積、形狀等的規(guī)劃，更具體點(diǎn)，比如各種IP核、輸入輸出、電源網(wǎng)絡(luò)、特殊的線路等的大致位置所在。

1.2、Placement在完成floorplan以后，下一步是Placement即布局過程，其實(shí)就是解決邏輯Cell怎么放的問題。這個(gè)階段的任務(wù)是將設(shè)計(jì)的各個(gè)邏輯門和模塊放置到芯片上的具體位置。
其主要包括：
全局布局：進(jìn)行粗略的布局優(yōu)化。詳細(xì)布局：進(jìn)一步優(yōu)化每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元和宏單元的位置。優(yōu)化：針對(duì)時(shí)序、功耗等進(jìn)行局部優(yōu)化。驗(yàn)證：設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）：確保布局滿足所有工藝和設(shè)計(jì)規(guī)則，電氣規(guī)則檢查（ERC）：確保布局不會(huì)導(dǎo)致電氣問題（例如，電流密度過高）。在Placement過程中，需要重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵因素：
擁塞（Congestion）：擁塞是指在芯片布局中某些區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)過多的邏輯門和連接線，導(dǎo)致布線困難。在放置過程中，需要盡量減少擁塞，確保布線通道的暢通，避免在后續(xù)的布線階段出現(xiàn)嚴(yán)重的問題；
時(shí)序（Timing）：時(shí)序是指信號(hào)在芯片中傳播的時(shí)間。在放置過程中，需要確保所有的時(shí)序要求都能得到滿足，以保證芯片能以預(yù)定的速度運(yùn)行。通常涉及到對(duì)關(guān)鍵路徑優(yōu)化。很多時(shí)候我們說讓后端修時(shí)序，就是指這個(gè)。但實(shí)際上后端能做的有限，前端設(shè)計(jì)盡可能不要出現(xiàn)時(shí)序違例。
1.3、Clock Tree Synthesis在完成place以后，下一步是時(shí)鐘樹綜合過程。時(shí)鐘樹綜合（Clock Tree Synthesis, CTS）是芯片物理設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它的目的是確保時(shí)鐘信號(hào)能夠均勻且同步地到達(dá)芯片上的所有觸發(fā)器。時(shí)鐘樹的目的是減少時(shí)鐘偏斜（clock skew），即時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)不同觸發(fā)器的時(shí)間差異，因?yàn)闀r(shí)鐘偏斜會(huì)限制芯片的最大工作頻率，影響性能。時(shí)鐘樹設(shè)計(jì)的主要步驟包括：
時(shí)鐘樹綜合：使用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）工具對(duì)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，以確定如何將時(shí)鐘源分配到所有的觸發(fā)器。工具會(huì)嘗試最小化時(shí)鐘偏斜，同時(shí)考慮到時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的功耗和插入延遲（insertion delay）；
時(shí)鐘樹插入：在時(shí)鐘源和觸發(fā)器之間插入緩沖器（buffers）和驅(qū)動(dòng)器（drivers），以構(gòu)建時(shí)鐘樹。這些緩沖器和驅(qū)動(dòng)器會(huì)幫助均衡時(shí)鐘信號(hào)，確保信號(hào)能夠以最小的偏斜到達(dá)每個(gè)觸發(fā)器。此外還包括一些后續(xù)的優(yōu)化。大家這里可以簡單理解時(shí)鐘樹綜合，其實(shí)際上就是插各種各樣的buffer，以避免不希望的clock skew。
1.4、Routing在完成時(shí)鐘樹綜合以后，下一步是布線即routing過程。也就是應(yīng)該如何連。布線的目的是將所有放置好的邏輯門和模塊之間的連接線（nets）連接起來，確保信號(hào)可以正確地在芯片上傳播。在布線過程中，需要遵循一定的規(guī)則和約束，主要包括：

設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（Design Rule Checks, DRC）：DRC是一系列制造工藝相關(guān)的規(guī)則，它們確保芯片設(shè)計(jì)可以在這個(gè)工藝下正確制造。布線時(shí)必須遵守這些規(guī)則，比如線寬、線間距、金屬層的垂直交叉規(guī)則等，以避免制造過程中的問題；
時(shí)序（Timing）：布線時(shí)需要考慮信號(hào)的傳播延遲，確保所有信號(hào)的時(shí)序滿足設(shè)計(jì)要求。時(shí)序分析工具會(huì)幫助設(shè)計(jì)者識(shí)別并解決可能導(dǎo)致時(shí)序問題的問題，如過長的布線或擁塞區(qū)域；
噪聲（Noise）：布線過程中還需要考慮信號(hào)完整性問題，包括電磁干擾（EMI）和功率噪聲。合理的布線策略可以減少信號(hào)之間的干擾，避免信號(hào)失真和性能下降。
我們通過一個(gè)圖總結(jié)一下上述的幾個(gè)概念：

后面的文章會(huì)重點(diǎn)再講解Placement、時(shí)鐘樹綜合以及Routing。
在tapeout之前，我們必須完成上述的任務(wù)，確保沒有不可控的error和warning。

下圖是上述流程的一個(gè)具體示意圖。可以看到其層層遞進(jìn)，從網(wǎng)表一直到最后的版圖。

1.5、物理設(shè)計(jì)前的一些準(zhǔn)備工作在完成邏輯設(shè)計(jì)以后，我們進(jìn)入芯片的物理設(shè)計(jì)。Floorplanning是是物理設(shè)計(jì)的第一步，它定義了芯片的大致布局。在這個(gè)階段，設(shè)計(jì)者會(huì)決定哪些組件放在哪里，如何安排電源和時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，以及如何優(yōu)化信號(hào)流。這些決策將直接影響芯片的性能和制造難度。
在Floorplan之前，我們還可以認(rèn)為有導(dǎo)入設(shè)計(jì)這一步，這一步其實(shí)就可以理解為準(zhǔn)備原材料，我們簡單過一下這一部分PPT即可。

在邏輯設(shè)計(jì)階段的綜合部份，我們認(rèn)為芯片面對(duì)的世界是相對(duì)理想的。如下所示，我們很多東西都沒有考慮。我們通常不會(huì)過多考慮電源網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和分布，如電源線、地線的布局，以及電源噪聲對(duì)電路性能的影響。也不涉及具體的物理連線，如金屬層的布線、通孔（vias）的使用，以及信號(hào)在芯片上的實(shí)際路徑。
但是既然已經(jīng)進(jìn)入物理設(shè)計(jì)了，那自然而然需要考慮很多物理特性，這也是一些更底層的東西。
首先需要定義“全局網(wǎng)絡(luò)”及其如何連接到物理實(shí)例：全局網(wǎng)絡(luò)通常指的是那些需要在整個(gè)芯片上傳播的信號(hào)，如時(shí)鐘信號(hào)和復(fù)位信號(hào)。需要定義這些信號(hào)如何連接到芯片上的各個(gè)物理實(shí)例，例如邏輯單元和宏單元。
提供技術(shù)規(guī)則和單元抽象（LEF文件）：LEF（Library Exchange Format）文件包含了工藝庫中標(biāo)準(zhǔn)單元、宏單元等物理信息，如尺寸、布局和電氣特性。這些信息對(duì)于物理設(shè)計(jì)至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈儧Q定了設(shè)計(jì)中的各個(gè)組件如何在物理層面上實(shí)現(xiàn)。
提供物理單元，這些單元對(duì)邏輯功能不是必需的，綜合的時(shí)候往往會(huì)禁用這些單元：這些單元包括：Tie cells：用于提供邏輯上的高電平或低電平。P/G pads：用于芯片與外部電源的連接。Decaps：用于電源和地之間的噪聲過濾。Filler cells：用于填充芯片上的空白區(qū)域，以提高制造良率。
定義保持約束以及所有操作模式和條件（MMMC）：在理想的時(shí)鐘模型中，保持約束很容易滿足，因此通常不會(huì)進(jìn)行檢查。但在物理實(shí)現(xiàn)中，需要考慮時(shí)鐘的非理想性，如時(shí)鐘偏斜和抖動(dòng)，并定義相應(yīng)的約束。
設(shè)置“低功耗”定義，例如電壓域、電源門控等：為了實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)，需要定義電壓域，即芯片中不同部分可以獨(dú)立操作的不同電壓級(jí)別。此外還包括power gates,body taps等。

2、A bit about Multiple Voltage Domains

為了節(jié)省能耗，目前芯片設(shè)計(jì)普遍采用多Power Domain。對(duì)于每個(gè)電源域，需要確定連接到該域的電源（如VDD1, VDD2）和地（如GND1）的單元列表。這些單元在電源域中共同開啟或關(guān)閉。然后需要繪制電壓域，在芯片的布局中，需要明確地標(biāo)識(shí)出每個(gè)電源域的范圍。這通常涉及到在芯片布局圖上繪制電源域的邊界，以及確定電源和地網(wǎng)絡(luò)的連接方式。
接著需要放置宏單元（macros）。宏單元通常指的是較大的設(shè)計(jì)模塊，如處理器核心、內(nèi)存塊、模擬電路等。以下是在放置宏單元時(shí)需要考慮的因素：
路由擁塞（Routing Congestion）：在放置宏單元時(shí)，需要考慮芯片上的路由通道，避免在某些區(qū)域放置過多的宏單元，導(dǎo)致路由通道擁塞，影響后續(xù)的布線。
方向（Orientation）：宏單元可以有不同的放置方向。在放置時(shí)，需要根據(jù)宏單元的連接需求和芯片的整體布局來選擇最佳的方向，以減少信號(hào)線的長度和交叉，優(yōu)化布線。
手動(dòng)放置通常優(yōu)于自動(dòng)放置（Manual usually better than Auto）：雖然現(xiàn)代EDA工具可以自動(dòng)放置宏單元，但在某些情況下，手動(dòng)放置可以提供更好的布局和布線結(jié)果。手動(dòng)放置允許設(shè)計(jì)者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)特定要求來進(jìn)行優(yōu)化。
然后需要放置開關(guān)：對(duì)于需要電源管理的電源域，需要放置電源開關(guān)（power switches），這些開關(guān)用于控制電源域的開啟和關(guān)閉。放置時(shí)需要考慮開關(guān)的位置，以便于與電源域中的單元連接，并確保開關(guān)的動(dòng)作不會(huì)影響其他電源域。

接下來是多電壓域用到的模塊：Level Shifters，上篇文章我們已經(jīng)簡單介紹過，具體的內(nèi)容大家可能需要學(xué)習(xí)一些模擬IC的東西才能掌握清楚，這里簡單看一下即可。

為了提高能效比，設(shè)計(jì)師通常會(huì)將芯片劃分為多個(gè)電源域，每個(gè)電源域可以在不需要時(shí)關(guān)閉電源，從而降低整體功耗。這也就是Power Gating。

到目前為止，我們已經(jīng)大概了解了多電壓域的一些東西。我們?nèi)绾味x它們？用的比較多的是UPF文件格式。這一部分大家可以自行搜索相關(guān)資料（B站直接搜UPF就有一些視頻），本門課程本質(zhì)還是一門通識(shí)課程，所以不會(huì)所有內(nèi)容都具體深入講解。

3、Floorplanning

我們首先看一下Floorplanning。其將邏輯描述（netlist）映射到物理描述（floorplan）。在這個(gè)過程中，設(shè)計(jì)師需要將抽象的邏輯設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為具體的物理布局，確保設(shè)計(jì)的可行性、性能和可制造性。
我們直接看Floorplan做了些什么內(nèi)容：
Arrange the blocks on a chip：將芯片上的各種功能模塊（如處理器核心、內(nèi)存、模擬電路等）合理地放置在芯片上，以優(yōu)化性能和減少互連的復(fù)雜性。
Decide the location of the I/O pads：確定芯片與外部通信的輸入/輸出端口（I/O pads）的位置，以便于與外部設(shè)備的連接，并考慮到信號(hào)完整性、電磁干擾（EMI）和熱管理等因素。
Decide the location and number of the power pads：確定電源和地端口的位置和數(shù)量，以確保電源網(wǎng)絡(luò)的性能和效率，同時(shí)考慮到電源噪聲和芯片的功耗。
Decide the type of power distribution：選擇合適的電源分配網(wǎng)絡(luò)類型，如全局電源網(wǎng)格、局部電源網(wǎng)格或電源島（power islands），以支持不同電源域的需求和低功耗設(shè)計(jì)。
Decide the location and type of clock distribution：確定時(shí)鐘信號(hào)分布網(wǎng)絡(luò)的位置和類型，包括時(shí)鐘樹的布局和時(shí)鐘緩沖器的放置，以減少時(shí)鐘偏斜和時(shí)鐘抖動(dòng)，保證時(shí)鐘信號(hào)的同步性和穩(wěn)定性。
我們最終要達(dá)到一個(gè)什么要的目標(biāo)呢？實(shí)際上和綜合比較類似，讓芯片面積盡可能小，延遲盡可能低，盡可能減少路由擁塞。

我們來看一個(gè)實(shí)際的例子：通過這個(gè)圖我們可以看到芯片的大小，金屬層的數(shù)量，接口信息，各種各樣的IP在哪個(gè)位置等等。Floorplan的周圍是芯片PAD。PAD實(shí)際上指的是芯片引腳的一塊金屬，通過它可以將芯片焊接在電路板上。

我們接著看Floorplanning的輸入和輸出。這一部分我就不一一解釋了，相信大家能夠看懂。我重點(diǎn)講一下什么是Design ready for standard cell placement。
在完成Floorplan以后，芯片的整體布局已經(jīng)確定，包括宏單元（如處理器核心、內(nèi)存塊等）的位置、I/O端口的位置、電源和時(shí)鐘分布網(wǎng)絡(luò)等。此時(shí)我們的標(biāo)準(zhǔn)Cell怎么放還沒確定下來，所以Floorplan的下一步將會(huì)是Place。
其實(shí)Floorplan已經(jīng)完成了一定的Place工作，通俗來講，F(xiàn)loorplanning 關(guān)注的是芯片的宏觀布局，而 Placement 關(guān)注的是邏輯單元的微觀布局。Floorplanning 為 Placement 提供了一個(gè)基本的設(shè)計(jì)框架，而 Placement 則在這個(gè)框架內(nèi)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

我們鞏固一下概念，通過下面這個(gè)圖，結(jié)合上面的講解，相信大家可以理解Floorplanning和Placement的區(qū)別�？梢哉f二者確實(shí)有很多共同之處，Placement是在Floorplanning的基礎(chǔ)之下進(jìn)行的。

我們?cè)賮砜匆幌率裁词荌O RING。I/O RING（I/O 環(huán)）是指芯片封裝邊緣上的一個(gè)環(huán)形區(qū)域，其中包含了芯片與外部世界通信的輸入/輸出（I/O）引腳。這些引腳可以是數(shù)據(jù)信號(hào)、電源信號(hào)、接地信號(hào)或其他類型的信號(hào)。
芯片的引腳分配通常由前端設(shè)計(jì)師決定，他們會(huì)根據(jù)芯片的邏輯功能和系統(tǒng)要求來規(guī)劃引腳。同時(shí)，物理設(shè)計(jì)工程師和封裝工程師也會(huì)參與進(jìn)來，因?yàn)樾枰紤]到引腳的物理實(shí)現(xiàn)、封裝的限制、信號(hào)完整性、電源和地分配、熱管理等因素。
IO并不像摩爾定律一樣，呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)別增長，IO的成本是很高的，非常占據(jù)面積。在floorplanning階段，對(duì)I/O引腳的規(guī)劃是一個(gè)非常關(guān)鍵和核心的步驟，需要考慮到信號(hào)連接、電源供應(yīng)以及整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兼容性。
有關(guān)IO RING我們先簡單看到這里，我們先看別的內(nèi)容。

我們應(yīng)該如何選擇芯片的大小呢？下面這張圖告訴我們，我們的芯片不可避免的會(huì)出現(xiàn)“Core limited"和”Pad Limited"的情況。（左邊那個(gè)中心區(qū)域不夠用，右邊PAD不夠用）

所以為了量化這一點(diǎn)，我們要引入一個(gè)指標(biāo)，利用率Utilization。通俗來講就是盡可能把能用的面積都利用上，避免浪費(fèi)。當(dāng)然利用率特別高的時(shí)候，會(huì)存在一些路由阻塞的問題。尤其是對(duì)于pin-dense的Cell，比如一個(gè)4選1的mux，它有6個(gè)pin，由于引腳數(shù)量較多，可能會(huì)在布局時(shí)占據(jù)較大的空間，從而導(dǎo)致其他邏輯單元的利用效率并不完全能反映芯片的實(shí)際面積需求。
所以在考慮芯片面積時(shí)，僅僅通過邏輯單元的利用率來確定是不夠的。設(shè)計(jì)者需要考慮到多路復(fù)用器等具有密集引腳的單元可能會(huì)占據(jù)更多的空間，從而影響芯片的整體布局和面積。在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮這些因素，以確保芯片的布局既高效又滿足性能要求。

此外在物理設(shè)計(jì)中，還應(yīng)該保證網(wǎng)表是唯一的。網(wǎng)表是唯一的意味著每個(gè)子模塊在網(wǎng)表中只能夠被引用一次，我們看下面這個(gè)例子。左邊那個(gè)圖，m1和m2因?yàn)槎际莂mod，其下面的例化都是u1。此時(shí)認(rèn)為amod子模塊被引用了兩次，也就是non-unique。因此在物理設(shè)計(jì)階段，會(huì)將兩個(gè)同時(shí)優(yōu)化，而不可以優(yōu)化其中一個(gè)固定另外一個(gè)。比如我們讓m1/u1變大一點(diǎn)，此時(shí)m2/u1也會(huì)變大。因?yàn)閙1和m2調(diào)用的是一個(gè)sub-module，也就是amod。
為了解決這個(gè)問題，將其中一個(gè)模塊叫做amod1，另外一個(gè)模塊叫做amod2，這樣sub-module的對(duì)應(yīng)就是唯一的了。這個(gè)過程叫做uniquifying the Netlist，實(shí)際上綜合工具會(huì)為我們做這一點(diǎn)，因此大家只要了解即可。

我們看一下如何擺Hard Macros。我們一般將其放在一側(cè)，這樣剩下的形狀有利于后續(xù)的Placement進(jìn)行，就比如下圖的左側(cè)紅色線條包裹區(qū)域，這么一大片區(qū)域有助于后續(xù)的Placement。就好比蓋房子，最好是留下來一整塊的地方，而不是這里一點(diǎn)，那里一點(diǎn)。
擺好以后認(rèn)為它們已經(jīng)固定好了，后續(xù)不要再去改動(dòng)這一部分Hard Macros。

Placement Regions 指的是在芯片設(shè)計(jì)中為邏輯單元指定特定的放置區(qū)域或集群區(qū)域。有個(gè)時(shí)候我們希望可以根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求和目標(biāo)來指定 Placement Regions，以幫助布局和布線工具更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。P&R工具一般提供了下面的指導(dǎo)方式，具體看圖即可。

還有一些地方我們不能放邏輯單元。Placement Blockages是芯片設(shè)計(jì)中需要特別注意的區(qū)域，這些區(qū)域不允許邏輯單元放置。例如，某些區(qū)域可能被用于電源和地網(wǎng)絡(luò)的布局，或者用于時(shí)鐘分布網(wǎng)絡(luò)，或者因?yàn)橹圃旃に嚨南拗贫贿m合放置邏輯單元。在布局過程中，這些區(qū)域會(huì)被視為不可放置的障礙，布局和布線工具會(huì)避開這些區(qū)域。
而Halos是一種布局策略，它涉及在芯片的邊緣或特定區(qū)域內(nèi)設(shè)置一個(gè)邊界，以限制邏輯單元的放置。設(shè)置 Halos 的目的是為了保護(hù)芯片的邊緣區(qū)域，防止邏輯單元過于靠近邊緣，從而影響芯片的封裝和性能。
更加具體的分類我們直接看下圖即可。

我們?cè)倏匆粋€(gè)示意圖加深一下概念：

類似的，還可以將這個(gè)概念引入到Routing。

我們來總結(jié)一下，F(xiàn)loorplan中一些優(yōu)秀的設(shè)計(jì)思想：
Single large core area：將邏輯核心區(qū)域（如處理器核心、內(nèi)存模塊等）設(shè)計(jì)為一個(gè)單一的大型區(qū)域，這樣可以減少互連的復(fù)雜性，提高性能；
RAMS out of the way in the corner：將存儲(chǔ)器單元放置在芯片的角落或邊緣，這樣可以減少它們對(duì)核心邏輯區(qū)域的干擾，同時(shí)保持核心區(qū)域的連通性；
Large routing channels：在芯片布局中保留寬大的布線通道，這樣可以減少布線擁塞，提高信號(hào)的傳輸效率；
Avoid constrictive channels：避免在布局中創(chuàng)建狹窄的布線通道，這樣可以減少信號(hào)的延遲和干擾，提高信號(hào)質(zhì)量；
Avoid many pins in the narrow channel：在布局中避免在狹窄的通道中放置太多的引腳，這樣可以減少布線沖突，提高信號(hào)的傳輸效率；
Rotate for pin accessibility：根據(jù)引腳的訪問需求，考慮旋轉(zhuǎn)芯片的布局，以便于引腳的布局和布線；
Pins away from corners：將引腳遠(yuǎn)離在芯片的邊緣或角落，這樣可以減少引腳與芯片邊緣的干擾，提高引腳的布局和布線效率；
Use blockage to improve pin accessibility：在布局中使用blockage來改善引腳的訪問性，例如，將引腳放置在障礙物附近，以便于引腳的布局和布線；

4、Hierarchical Design

如果設(shè)計(jì)太大的話，我們可以將其分成多個(gè)Block。其具體如下圖右邊所述。我們可以看看Flat和Hierarchical的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：
Flat Design：
優(yōu)點(diǎn)：
簡單直觀，易于理解和維護(hù)。整個(gè)設(shè)計(jì)是一個(gè)單一的實(shí)體，不需要額外的層次結(jié)構(gòu)；
缺點(diǎn)：當(dāng)設(shè)計(jì)變得非常大時(shí)，可能需要更長的運(yùn)行時(shí)間，因?yàn)樾枰幚泶罅康臄?shù)據(jù)，可能需要更多的內(nèi)存來運(yùn)行EDA工具；
設(shè)計(jì)更改（ECO，Engineering Change Order）的周轉(zhuǎn)時(shí)間可能較長，因?yàn)樾枰匦路治稣麄€(gè)設(shè)計(jì)
Hierarchical Design：
優(yōu)點(diǎn)：
設(shè)計(jì)可以被分割成更小的、易于管理的部分，這些部分可以獨(dú)立地分析和優(yōu)化；
運(yùn)行時(shí)間更快，因?yàn)橹恍枰幚懋?dāng)前工作區(qū)域的數(shù)據(jù)；
內(nèi)存需求較低，因?yàn)椴恍枰鎯?chǔ)整個(gè)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)；
設(shè)計(jì)重用更加容易，因?yàn)榭梢詥为?dú)替換或修改某個(gè)子模塊。
缺點(diǎn)：層次結(jié)構(gòu)可能使得全芯片時(shí)序收斂變得更加困難，因?yàn)樾枰_保所有子模塊的時(shí)序都能滿足要求；
設(shè)計(jì)規(guī)劃需要更加密集，因?yàn)樾枰幚矶鄠€(gè)層次的反饋和重用；
需要生成feedthrough、repeater insertiom、timing constraint budgeting等，這些都是確保時(shí)序收斂的關(guān)鍵步驟；

我們來看一下層次化設(shè)計(jì)中的時(shí)間預(yù)算問題。如果采用整體設(shè)計(jì)的話，所有的設(shè)計(jì)都是一個(gè)整體，只需要確定一組input delay和output delay即可。但如果采用層次化設(shè)計(jì)的話，要注意這些問題。
芯片級(jí)約束映射到塊級(jí)約束：在層次化設(shè)計(jì)中，芯片級(jí)的時(shí)序約束需要正確地映射到各個(gè)塊級(jí)約束。例如，如果芯片級(jí)時(shí)序要求某個(gè)關(guān)鍵路徑的時(shí)延不超過某個(gè)值，那么這個(gè)約束需要被分解并分配給相關(guān)的塊級(jí)時(shí)序約束。同樣，I/O約束也需要被正確地映射到塊級(jí)約束，以確保芯片的I/O端口能夠滿足設(shè)計(jì)要求。
接口邏輯模型（Interface Logic Models, ILMs）：ILMs 是一種簡化設(shè)計(jì)時(shí)間和資源的方法，它允許設(shè)計(jì)者使用簡化的模型來表示復(fù)雜的接口邏輯。它可以快速地評(píng)估接口邏輯對(duì)時(shí)序的影響，而不需要詳細(xì)地分析整個(gè)設(shè)計(jì)。使用 ILMs 可以顯著加快設(shè)計(jì)時(shí)間。我們直接看下面這個(gè)圖，原本的網(wǎng)表是比較復(fù)雜的，這里將中間的邏輯都簡化了，僅僅剩下入口和出口，還有直通邏輯。

我們?cè)賮砜匆豢碢in的規(guī)劃。對(duì)于Pin，我們要使用相應(yīng)的約束，這些約束包括以下參數(shù)：層（Layers）：指定引腳所在的層，如信號(hào)層、電源層、接地層等。間距（Spacing）：指定引腳之間的最小間距，以確保電氣隔離和防止短路。大�。⊿ize）：指定引腳的物理尺寸，如寬度、長度等。重疊（Overlap）：指定引腳與其他元素（如布線、電源和地線等）的重疊要求，以避免電氣沖突。
Pin constraints 還包括以下內(nèi)容：網(wǎng)絡(luò)組（Net groups）：將具有相似特性或連接需求的引腳分組，以便于布局和布線工具進(jìn)行處理。引腳指南（Pin guides）：指定引腳的放置方向和位置，以指導(dǎo)自動(dòng)布局工具的放置。
Pin可使用以下兩種優(yōu)先級(jí)的約束：基于放置的約束（Placement based）：使用飛線（flightlines）來指導(dǎo)引腳的放置，確保它們?cè)谛酒系牟季址咸囟ǖ囊?guī)則�；诓季€的約束（Route based）：指定嘗試布線（trial route）和邊界交叉（boundary crossings），以指導(dǎo)引腳的布線路徑。

Feedthrough路徑定義從頂層I/O引腳進(jìn)入和穿過Block，以減少長路由和擁塞。中繼器需要被添加到這些路徑中，以保持信號(hào)強(qiáng)度并避免max slew和扇出違規(guī)。

5、Power Planning我們?cè)賮砜匆粋€(gè)重要的話題，Power Planning，中文名一般叫做電源規(guī)劃。其基本可以認(rèn)為是Floorplanning的一部分。（大部分電源規(guī)劃可能已在Floorplanning階段完成，但在Placement階段也可能需要進(jìn)行一些細(xì)致的調(diào)整。例如，為了滿足特定模塊或邏輯塊的電流需求，可能需要添加額外的電源或地連接。）
初步Power Planning主要包括：
電源網(wǎng)格設(shè)計(jì)（Power Grids）：創(chuàng)建電源和地網(wǎng)格來提供電流和參考電壓。
電源環(huán)（Power Rings）：在芯片外圍設(shè)計(jì)電源環(huán)，用于電源和地的分發(fā)。

電源鋪墊（Power Pads）：確定用于外部電源連接的電源和地鋪墊的位置。

Power planning 的目標(biāo)是在芯片上創(chuàng)建一個(gè)高效的電源和地網(wǎng)絡(luò)，以確保電源和地能夠有效地分布到芯片的各個(gè)部分，同時(shí)考慮到電源噪聲和信號(hào)完整性。

我們來具體看一下什么是IR-Drop。IR Drop 是指在電源線（power line）長度上，由于電源線電阻導(dǎo)致的電源電壓（supply voltage）下降。IR Drop 是電源規(guī)劃和設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)重要因素，因?yàn)樗鼤?huì)影響到芯片的性能和可靠性。
我們應(yīng)該怎么分析這個(gè)問題呢？通常采用矩陣的方式進(jìn)行求解。
電阻矩陣的構(gòu)建：在電源網(wǎng)絡(luò)中，電源線和電源層之間存在電阻，這些電阻會(huì)導(dǎo)致電壓下降。設(shè)計(jì)者需要構(gòu)建一個(gè)電阻矩陣，其中包含電源網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電阻值。
平均電流的考慮：每個(gè)邏輯門的平均電流是計(jì)算 IR Drop 的重要參數(shù)。設(shè)計(jì)者需要考慮每個(gè)邏輯門的平均電流，以計(jì)算在電源線上的電壓下降。
矩陣求解：一旦構(gòu)建了電阻矩陣并考慮了平均電流，設(shè)計(jì)者可以使用矩陣求解的方法來計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的電流。通過矩陣求解，設(shè)計(jì)者可以確定電源線上的電壓下降，即 IR Drop。

我們?cè)賮砜匆粋€(gè)概念，電遷移。在集成電路后段會(huì)部署大量金屬連線結(jié)構(gòu)，本來這些金屬連線的作用就是讓電子遷移，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電。但反過來，電子的流動(dòng)會(huì)造成金屬材料遷移，最終導(dǎo)線被“掐斷”：

這種現(xiàn)象就叫做電遷移，其可通過形成空隙或小丘來改變導(dǎo)體的物理結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致短路、開路、性能劣化或設(shè)備故障。隨著流經(jīng)互連器件的電流密度增大，電遷移率也隨之增加，這使得電遷移成為一個(gè)失控過程。事實(shí)上，電遷移是電路故障的主要原因。
為了避免電子組件中金屬遷移所帶來的失敗和危險(xiǎn)，芯片設(shè)計(jì)人員可以采用以下幾種方法：
增加互連寬度，以降低電流密度。
使用具有高電遷移耐力的材料，如金和銅。
使用冗余通孔來分流電流強(qiáng)度。
減少互連器件之間的間距。
設(shè)計(jì)低電壓水平的電路。
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Power Distribution Network（PDN）是芯片設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，其功能包括：
從焊盤（pads）向芯片上的晶體管傳輸電流：PDN負(fù)責(zé)將電流從芯片的輸入/輸出（I/O）端口傳輸?shù)叫酒瑑?nèi)部的邏輯單元。
保持電壓穩(wěn)定并降低噪聲：PDN設(shè)計(jì)需要確保芯片的電壓穩(wěn)定，以支持邏輯單元的正常工作。同時(shí)，它還需要降低電源噪聲，以避免對(duì)芯片性能的影響。
提供平均和峰值功率需求：PDN需要能夠滿足芯片在正常操作和峰值負(fù)載下的功率需求。
為信號(hào)提供電流返回路徑：PDN設(shè)計(jì)需要確保芯片上的信號(hào)可以有效地返回電源和地，以支持信號(hào)的正確傳輸和處理。
避免電遷移（electromigration）和自加熱導(dǎo)致的磨損：PDN設(shè)計(jì)需要考慮電源線和地線的布局，以減少電遷移和自加熱導(dǎo)致的材料損壞和壽命縮短。
占用芯片面積和線寬最�。篜DN設(shè)計(jì)需要優(yōu)化電源線和地線的布局，以最小化對(duì)芯片面積和線寬的占用。
易于布局：PDN設(shè)計(jì)需要考慮到布線的便利性，以便于后續(xù)的布局和布線工作。
我們還可以看到，更寬的Power Lines，可以降低IR DROP，可以減少電遷移。但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致routing變得困難。

我們來看一個(gè)實(shí)際的例子。假設(shè)在金屬層1有一個(gè)1毫米長的電源軌，我們根據(jù)給出的條件可以算出其電阻為1000歐姆。進(jìn)而求出對(duì)應(yīng)的IR DROP。由于電遷移會(huì)導(dǎo)致電源軌的電阻增加，從而引起IR Drop，因此需要采取措施來減少這種影響。
一種方法是增加電源軌的寬度，這樣可以降低電流密度，從而減少電遷移的影響。另一種方法是增加電源軌的厚度，因?yàn)楦竦碾娫窜壙梢猿惺芨叩碾娏髅芏�。綜合考慮，設(shè)計(jì)者通常會(huì)盡可能地使電源軌寬和厚，以減少電遷移和IR Drop的影響。

下圖是一個(gè)實(shí)際的圖片，在增加寬度以后，IR DROP效應(yīng)變小了。

我們?cè)賮砜匆幌码娫春偷鼐W(wǎng)絡(luò)的一些設(shè)計(jì)規(guī)則。
電源和地信號(hào)的連接：
每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元或宏單元都需要與電源和地信號(hào)連接，以確保它們能夠從電源源（如電源分配網(wǎng)絡(luò)）接收所需的電壓。
電源/地網(wǎng)格（Power/Ground mesh）：
電源/地網(wǎng)格允許電源和地信號(hào)通過多個(gè)路徑從源到達(dá)目的地，這樣可以減少串聯(lián)電阻，提高電源和地網(wǎng)絡(luò)的性能。
電源/地網(wǎng)格從高層金屬層到低層金屬層，形成一個(gè)層次化的網(wǎng)絡(luò)，以提供有效的電源和地分布。
在不同層之間需要多個(gè)通孔（vias）來連接電源和地網(wǎng)絡(luò)。
電源和地布線的規(guī)則性：
電源和地布線通常是比較規(guī)則的，因?yàn)樗鼈冃枰谡麄€(gè)芯片上均勻分布，以提供穩(wěn)定的電源和地參考。
電源和地布線資源的預(yù)留：
由于電源和地布線是芯片設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)，因此通常會(huì)預(yù)留足夠的布線資源來確保電源和地網(wǎng)絡(luò)的性能。

我們?cè)賮砜匆幌翽ower Routing中的一些經(jīng)典方法：

我們?cè)賮砜匆幌码娫淳W(wǎng)絡(luò)中的一些權(quán)衡點(diǎn)：

最后我們做一個(gè)總結(jié)，如何在Cadence的EDA工具Innovus中做FLoorplanning:

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