【芯片設(shè)計】從RTL到GDS（六）：芯片物理設(shè)計

倒序瀏覽 · 發(fā)表于 2024-9-13 11:58:00

本篇文章將進入芯片的Physical Domain，后面的幾篇文章也都是物理設(shè)計相關(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，對這方面的實現(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知乎文章介紹的一些課程（請見閱讀原文），不一一說明了，在此表示感謝。接下來進入課程內(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)計流程，現(xiàn)在我們將正式進入芯片后端的學(xué)習(xí)。芯片后端設(shè)計，也稱為物理設(shè)計，是在前端設(shè)計完成后進行的。它涉及到將前端設(shè)計得到的網(wǎng)表轉(zhuǎn)換為實際的幾何形狀，即進行布局和布線（Place and Route, P&R）。后端設(shè)計還包括芯片的時序分析、功耗分析、信號完整性分析、熱分析等多個方面。后端設(shè)計工程師需要確保芯片的物理設(shè)計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)計的基石，同時也是第一步，便是Floorplanning，中文名一般叫做布局規(guī)劃。這個過程包括了對設(shè)計中較大的或重要的部分進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，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，其實就是解決邏輯Cell怎么放的問題。這個階段的任務(wù)是將設(shè)計的各個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：進行粗略的布局優(yōu)化。詳細布局：進一步優(yōu)化每個標準單元和宏單元的位置。優(yōu)化：針對時序、功耗等進行局部優(yōu)化。驗證：設(shè)計規(guī)則檢查（DRC）：確保布局滿足所有工藝和設(shè)計規(guī)則，電氣規(guī)則檢查（ERC）：確保布局不會導(dǎo)致電氣問題（例如，電流密度過高）。在Placement過程中，需要重點考慮以下幾個關(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)嚴重的問題；
時序（Timing）：時序是指信號在芯片中傳播的時間。在放置過程中，需要確保所有的時序要求都能得到滿足，以保證芯片能以預(yù)定的速度運行。通常涉及到對關(guān)鍵路徑優(yōu)化。很多時候我們說讓后端修時序，就是指這個。但實際上后端能做的有限，前端設(shè)計盡可能不要出現(xiàn)時序違例。
1.3、Clock Tree Synthesis在完成place以后，下一步是時鐘樹綜合過程。時鐘樹綜合（Clock Tree Synthesis, CTS）是芯片物理設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)，它的目的是確保時鐘信號能夠均勻且同步地到達芯片上的所有觸發(fā)器。時鐘樹的目的是減少時鐘偏斜（clock skew），即時鐘信號到達不同觸發(fā)器的時間差異，因為時鐘偏斜會限制芯片的最大工作頻率，影響性能。時鐘樹設(shè)計的主要步驟包括：
時鐘樹綜合：使用電子設(shè)計自動化（EDA）工具對時鐘網(wǎng)絡(luò)進行分析和設(shè)計，以確定如何將時鐘源分配到所有的觸發(fā)器。工具會嘗試最小化時鐘偏斜，同時考慮到時鐘網(wǎng)絡(luò)的功耗和插入延遲（insertion delay）；
時鐘樹插入：在時鐘源和觸發(fā)器之間插入緩沖器（buffers）和驅(qū)動器（drivers），以構(gòu)建時鐘樹。這些緩沖器和驅(qū)動器會幫助均衡時鐘信號，確保信號能夠以最小的偏斜到達每個觸發(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鐘樹綜合，其實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)計可以在這個工藝下正確制造。布線時必須遵守這些規(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；
時序（Timing）：布線時需要考慮信號的傳播延遲，確保所有信號的時序滿足設(shè)計要求。時序分析工具會幫助設(shè)計者識別并解決可能導(dǎo)致時序問題的問題，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之間的干擾，避免信號失真和性能下降。
我們通過一個圖總結(jié)一下上述的幾個概念：

后面的文章會重點再講解Placement、時鐘樹綜合以及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具體示意圖�？梢钥吹狡鋵訉舆f進，從網(wǎng)表一直到最后的版圖。

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

在邏輯設(shè)計階段的綜合部份，我們認為芯片面對的世界是相對理想的。如下所示，我們很多東西都沒有考慮。我們通常不會過多考慮電源網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和分布，如電源線、地線的布局，以及電源噪聲對電路性能的影響。也不涉及具體的物理連線，如金屬層的布線、通孔（vias）的使用，以及信號在芯片上的實際路徑。
但是既然已經(jīng)進入物理設(shè)計了，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例：全局網(wǎng)絡(luò)通常指的是那些需要在整個芯片上傳播的信號，如時鐘信號和復(fù)位信號。需要定義這些信號如何連接到芯片上的各個物理實例，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準單元、宏單元等物理信息，如尺寸、布局和電氣特性。這些信息對于物理設(shè)計至關(guān)重要，因為它們決定了設(shè)計中的各個組件如何在物理層面上實現(xiàn)。
提供物理單元，這些單元對邏輯功能不是必需的，綜合的時候往往會禁用這些單元：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）：在理想的時鐘模型中，保持約束很容易滿足，因此通常不會進行檢查。但在物理實現(xiàn)中，需要考慮時鐘的非理想性，如時鐘偏斜和抖動，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：為了實現(xiàn)低功耗設(shè)計，需要定義電壓域，即芯片中不同部分可以獨立操作的不同電壓級別。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)計普遍采用多Power Domain。對于每個電源域，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，需要明確地標識出每個電源域的范圍。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需要考慮的因素：
路由擁塞（Routing Congestion）：在放置宏單元時，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，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，以減少信號線的長度和交叉，優(yōu)化布線。
手動放置通常優(yōu)于自動放置（Manual usually better than Auto）：雖然現(xiàn)代EDA工具可以自動放置宏單元，但在某些情況下，手動放置可以提供更好的布局和布線結(jié)果。手動放置允許設(shè)計者根據(jù)經(jīng)驗和設(shè)計特定要求來進行優(yōu)化。
然后需要放置開關(guān)：對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)的動作不會影響其他電源域。

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)計師通常會將芯片劃分為多個電源域，每個電源域可以在不需要時關(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)還是一門通識課程，所以不會所有內(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）。在這個過程中，設(shè)計師需要將抽象的邏輯設(shè)計轉(zhuǎn)換為具體的物理布局，確保設(shè)計的可行性、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。
Decide the location and type of clock distribution：確定時鐘信號分布網(wǎng)絡(luò)的位置和類型，包括時鐘樹的布局和時鐘緩沖器的放置，以減少時鐘偏斜和時鐘抖動，保證時鐘信號的同步性和穩(wěn)定性。
我們最終要達到一個什么要的目標呢？實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。

我們來看一個實際的例子：通過這個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在哪個位置等等。Floorplan的周圍是芯片PAD。PAD實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、電源和時鐘分布網(wǎng)絡(luò)等。此時我們的標準Cell怎么放還沒確定下來，所以Floorplan的下一步將會是Place。
其實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 提供了一個基本的設(shè)計框架，而 Placement 則在這個框架內(nèi)進行詳細的設(shè)計優(yōu)化

我們鞏固一下概念，通過下面這個圖，結(jié)合上面的講解，相信大家可以理解Floorplanning和Placement的區(qū)別。可以說二者確實有很多共同之處，Placement是在Floorplanning的基礎(chǔ)之下進行的。

我們再來看一下什么是IO RING。I/O RING（I/O 環(huán)）是指芯片封裝邊緣上的一個環(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、電源信號、接地信號或其他類型的信號。
芯片的引腳分配通常由前端設(shè)計師決定，他們會根據(jù)芯片的邏輯功能和系統(tǒng)要求來規(guī)劃引腳。同時，物理設(shè)計工程師和封裝工程師也會參與進來，因為需要考慮到引腳的物理實現(xiàn)、封裝的限制、信號完整性、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)級別增長，IO的成本是很高的，非常占據(jù)面積。在floorplanning階段，對I/O引腳的規(guī)劃是一個非常關(guān)鍵和核心的步驟，需要考慮到信號連接、電源供應(yīng)以及整體系統(tǒng)設(shè)計的兼容性。
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出現(xiàn)“Core limited"和”Pad Limited"的情況。（左邊那個中心區(qū)域不夠用，右邊PAD不夠用）

所以為了量化這一點，我們要引入一個指標，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。當(dāng)然利用率特別高的時候，會存在一些路由阻塞的問題。尤其是對于pin-dense的Cell，比如一個4選1的mux，它有6個pin，由于引腳數(shù)量較多，可能會在布局時占據(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際面積需求。
所以在考慮芯片面積時，僅僅通過邏輯單元的利用率來確定是不夠的。設(shè)計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)計時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子模塊在網(wǎng)表中只能夠被引用一次，我們看下面這個例子。左邊那個圖，m1和m2因為都是amod，其下面的例化都是u1。此時認為amod子模塊被引用了兩次，也就是non-unique。因此在物理設(shè)計階段，會將兩個同時優(yōu)化，而不可以優(yōu)化其中一個固定另外一個。比如我們讓m1/u1變大一點，此時m2/u1也會變大。因為m1和m2調(diào)用的是一個sub-module，也就是amod。
為了解決這個問題，將其中一個模塊叫做amod1，另外一個模塊叫做amod2，這樣sub-module的對應(yīng)就是唯一的了。這個過程叫做uniquifying the Netlist，實際上綜合工具會為我們做這一點，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，那里一點。
擺好以后認為它們已經(jīng)固定好了，后續(xù)不要再去改動這一部分Hard Macros。

Placement Regions 指的是在芯片設(shè)計中為邏輯單元指定特定的放置區(qū)域或集群區(qū)域。有個時候我們希望可以根據(jù)具體的設(shè)計要求和目標來指定 Placement Regions，以幫助布局和布線工具更好地實現(xiàn)設(shè)計目標。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，或者用于時鐘分布網(wǎng)絡(luò)，或者因為制造工藝的限制而不適合放置邏輯單元。在布局過程中，這些區(qū)域會被視為不可放置的障礙，布局和布線工具會避開這些區(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)置一個邊界，以限制邏輯單元的放置。設(shè)置 Halos 的目的是為了保護芯片的邊緣區(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。

我們再看一個示意圖加深一下概念：

類似的，還可以將這個概念引入到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)計為一個單一的大型區(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：將存儲器單元放置在芯片的角落或邊緣，這樣可以減少它們對核心邏輯區(qū)域的干擾，同時保持核心區(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，這樣可以減少信號的延遲和干擾，提高信號質(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)計太大的話，我們可以將其分成多個Block。其具體如下圖右邊所述。我們可以看看Flat和Hierarchical的優(yōu)點和缺點：
Flat Design：
優(yōu)點：
簡單直觀，易于理解和維護。整個設(shè)計是一個單一的實體，不需要額外的層次結(jié)構(gòu)；
缺點：當(dāng)設(shè)計變得非常大時，可能需要更長的運行時間，因為需要處理大量的數(shù)據(jù)，可能需要更多的內(nèi)存來運行EDA工具；
設(shè)計更改（ECO，Engineering Change Order）的周轉(zhuǎn)時間可能較長，因為需要重新分析整個設(shè)計
Hierarchical Design：
優(yōu)點：
設(shè)計可以被分割成更小的、易于管理的部分，這些部分可以獨立地分析和優(yōu)化；
運行時間更快，因為只需要處理當(dāng)前工作區(qū)域的數(shù)據(jù)；
內(nèi)存需求較低，因為不需要存儲整個設(shè)計的數(shù)據(jù)；
設(shè)計重用更加容易，因為可以單獨替換或修改某個子模塊。
缺點：層次結(jié)構(gòu)可能使得全芯片時序收斂變得更加困難，因為需要確保所有子模塊的時序都能滿足要求；
設(shè)計規(guī)劃需要更加密集，因為需要處理多個層次的反饋和重用；
需要生成feedthrough、repeater insertiom、timing constraint budgeting等，這些都是確保時序收斂的關(guān)鍵步驟；

我們來看一下層次化設(shè)計中的時間預(yù)算問題。如果采用整體設(shè)計的話，所有的設(shè)計都是一個整體，只需要確定一組input delay和output delay即可。但如果采用層次化設(shè)計的話，要注意這些問題。
芯片級約束映射到塊級約束：在層次化設(shè)計中，芯片級的時序約束需要正確地映射到各個塊級約束。例如，如果芯片級時序要求某個關(guān)鍵路徑的時延不超過某個值，那么這個約束需要被分解并分配給相關(guān)的塊級時序約束。同樣，I/O約束也需要被正確地映射到塊級約束，以確保芯片的I/O端口能夠滿足設(shè)計要求。
接口邏輯模型（Interface Logic Models, ILMs）：ILMs 是一種簡化設(shè)計時間和資源的方法，它允許設(shè)計者使用簡化的模型來表示復(fù)雜的接口邏輯。它可以快速地評估接口邏輯對時序的影響，而不需要詳細地分析整個設(shè)計。使用 ILMs 可以顯著加快設(shè)計時間。我們直接看下面這個圖，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。

我們再來看一看Pin的規(guī)劃。對于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)自動布局工具的放置。
Pin可使用以下兩種優(yōu)先級的約束：基于放置的約束（Placement based）：使用飛線（flightlines）來指導(dǎo)引腳的放置，確保它們在芯片上的布局符合特定的規(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，以保持信號強度并避免max slew和扇出違規(guī)。

5、Power Planning我們再來看一個重要的話題，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階段也可能需要進行一些細致的調(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（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 的目標是在芯片上創(chuàng)建一個高效的電源和地網(wǎng)絡(luò)，以確保電源和地能夠有效地分布到芯片的各個部分，同時考慮到電源噪聲和信號完整性。

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)計中需要考慮的一個重要因素，因為它會影響到芯片的性能和可靠性。
我們應(yīng)該怎么分析這個問題呢？通常采用矩陣的方式進行求解。
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，這些電阻會導(dǎo)致電壓下降。設(shè)計者需要構(gòu)建一個電阻矩陣，其中包含電源網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的電阻值。
平均電流的考慮：每個邏輯門的平均電流是計算 IR Drop 的重要參數(shù)。設(shè)計者需要考慮每個邏輯門的平均電流，以計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)計者可以使用矩陣求解的方法來計算每個節(jié)點上的電流。通過矩陣求解，設(shè)計者可以確定電源線上的電壓下降，即 IR Drop。

我們再來看一個概念，電遷移。在集成電路后段會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，實現(xiàn)導(dǎo)電。但反過來，電子的流動會造成金屬材料遷移，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失控過程。事實上，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，芯片設(shè)計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度。
減少互連器件之間的間距。
設(shè)計低電壓水平的電路。
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Power Distribution Network（PDN）是芯片設(shè)計中的一個關(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，它還需要降低電源噪聲，以避免對芯片性能的影響。
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載下的功率需求。
為信號提供電流返回路徑：PDN設(shè)計需要確保芯片上的信號可以有效地返回電源和地，以支持信號的正確傳輸和處理。
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小：PDN設(shè)計需要優(yōu)化電源線和地線的布局，以最小化對芯片面積和線寬的占用。
易于布局：PDN設(shè)計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。但同時會導(dǎo)致routing變得困難。

我們來看一個實際的例子。假設(shè)在金屬層1有一個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。進而求出對應(yīng)的IR DROP。由于電遷移會導(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，因為更厚的電源軌可以承受更高的電流密度。綜合考慮，設(shè)計者通常會盡可能地使電源軌寬和厚，以減少電遷移和IR Drop的影響。

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

我們再來看一下電源和地網(wǎng)絡(luò)的一些設(shè)計規(guī)則。
電源和地信號的連接：
每個標準單元或宏單元都需要與電源和地信號連接，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通過多個路徑從源到達目的地，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，因為它們需要在整個芯片上均勻分布，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)計中的基礎(chǔ)，因此通常會預(yù)留足夠的布線資源來確保電源和地網(wǎng)絡(luò)的性能。

我們再來看一下Power Routing中的一些經(jīng)典方法：

我們再來看一下電源網(wǎng)絡(luò)中的一些權(quán)衡點：

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

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