??? 摘 要： 針對(duì)當(dāng)前RTL綜合面對(duì)的挑戰(zhàn)，總結(jié)了實(shí)際項(xiàng)目中的經(jīng)驗(yàn)，可以使綜合工具在更少的時(shí)間里產(chǎn)生的網(wǎng)表芯片面積更小、速度更快，而功耗更低。
??? 關(guān)鍵詞： RTL綜合；CMOS電路；設(shè)計(jì)自動(dòng)化
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??? 隨著微電子設(shè)計(jì)復(fù)雜度不斷增加，生產(chǎn)工藝的不斷縮小，對(duì)設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具提出了不斷的挑戰(zhàn)。電子設(shè)計(jì)、自動(dòng)化需要能處理非常復(fù)雜的設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的挑戰(zhàn)和需求。邏輯綜合更是應(yīng)該滿足這一需求。邏輯綜合工具應(yīng)該可以在合理的時(shí)間里處理上百萬(wàn)甚至千萬(wàn)門的邏輯電路。而傳統(tǒng)的邏輯綜合理論主要是靠電路綜合轉(zhuǎn)換的反復(fù)試驗(yàn)，這個(gè)過(guò)程其實(shí)是功效和質(zhì)量的折中，通常不能產(chǎn)生最優(yōu)化的結(jié)果。而且，產(chǎn)生的電路非常依賴于具體的設(shè)計(jì)。因此，只有非常有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)工程師才能綜合出優(yōu)化的電路。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，可以用本文所闡述的方法，在更少的時(shí)間里，綜合出速度更快、面積更小、功耗更低的芯片。其技術(shù)是基于新出現(xiàn)的綜合工具，不斷增強(qiáng)的后端工具，更好的計(jì)算機(jī)資源和更快的操作系統(tǒng)。通過(guò)應(yīng)用這些技術(shù)，已經(jīng)成功地完成了一個(gè)90 nm芯片項(xiàng)目，特別是使用這些技術(shù)產(chǎn)生的網(wǎng)表，可以在后端實(shí)現(xiàn)的時(shí)候很快地時(shí)序收斂，保證了芯片的按時(shí)完成。
??? 怎樣指導(dǎo)綜合工具產(chǎn)生想要的電路？當(dāng)使用工具綜合設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先明確的是工具永遠(yuǎn)按照工程師的指導(dǎo)在工作，這就需要工程師在做綜合之前，首先要清楚需要完成什么樣的電路。比如電路的工作頻率，有無(wú)低功耗要求，面積要求等；其次要清楚工具會(huì)為我們做什么，而不能將工具看成一個(gè)萬(wàn)能的工具；然后要指導(dǎo)約束工具綜合產(chǎn)生出我們需要的電路。接下來(lái)介紹應(yīng)用哪些規(guī)則和方法，可以綜合產(chǎn)生更好的電路。
1 重視RTL編碼設(shè)計(jì)
??? 第一個(gè)規(guī)則就是注重RTL設(shè)計(jì)。無(wú)論綜合工具提高了多少，多么好的計(jì)算機(jī)和多快的操作系統(tǒng)，都要從設(shè)計(jì)剛開(kāi)始的時(shí)候就注重RTL編碼設(shè)計(jì)。綜合是將設(shè)計(jì)理念從一種表達(dá)形式(RTL功能描述)，轉(zhuǎn)換成另一種形式(針對(duì)于某一工藝的門級(jí)網(wǎng)表)，電路在綜合前后具有相同的功能[1]。不能將綜合看成一個(gè)黑盒子而不知道里面的內(nèi)容。必須清楚的知道所需要實(shí)現(xiàn)的電路、設(shè)計(jì)的特殊性、應(yīng)用的綜合工具、還有工具如何處理邏輯電路。不要依賴后端工具來(lái)解決時(shí)序問(wèn)題，而是要在開(kāi)始設(shè)計(jì)編碼的時(shí)候，就應(yīng)考慮怎么解決這些問(wèn)題。在項(xiàng)目開(kāi)始的時(shí)候，應(yīng)用從先前芯片設(shè)計(jì)中得到的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)理念，更有可能產(chǎn)生高效的電路。預(yù)先計(jì)劃怎樣描述RTL設(shè)計(jì)，就不用在后端實(shí)現(xiàn)的時(shí)候花很多時(shí)間進(jìn)行布局布線的設(shè)計(jì)。
2 采用自上而下的綜合
??? 綜合工具的性能已經(jīng)提升了很多，能夠在可以接受的時(shí)間里完成自上而下(top-down)的綜合，而不用從下而上(bottom-up)的綜合。這樣可以簡(jiǎn)化綜合約束的管理，減少編譯設(shè)計(jì)所需的綜合腳本，也就減少了使用綜合工具所需的許可證。自上而下的綜合可以使工具在優(yōu)化時(shí)知道設(shè)計(jì)在模塊間的拓?fù)溥B接、負(fù)載、時(shí)序，從而能綜合產(chǎn)生更好的電路。使用自上而下的綜合方法，還可以消除綜合對(duì)時(shí)序預(yù)算的依賴。
3 只對(duì)關(guān)鍵路徑加額外的約束
??? 傳統(tǒng)的綜合流程里，為了能在后端實(shí)現(xiàn)時(shí)留有一定的余地，通常建議在加約束的時(shí)候，將時(shí)鐘額外增加10 ％，有些設(shè)計(jì)甚至增加更多，或者用更大的連線模型，以留有足夠的余地。一些設(shè)計(jì)在加約束時(shí)，增加了如此多的額外約束[3]，以至于雖然設(shè)計(jì)在后端實(shí)現(xiàn)的時(shí)候滿足了時(shí)序收斂的要求，但是卻以犧牲面積為代價(jià)，而且有些可能是不必要的。
??? 現(xiàn)在的工具可以明確需要在哪些關(guān)鍵路徑上加額外的約束，以使這些路徑在后端實(shí)現(xiàn)時(shí)能夠滿足時(shí)序的要求，而不用將整個(gè)時(shí)鐘都加額外的約束。如果將時(shí)鐘加額外的約束，將會(huì)使設(shè)計(jì)中使用這個(gè)時(shí)鐘的電路都被不必要的優(yōu)化，包括那些在后端實(shí)現(xiàn)的時(shí)候時(shí)序已經(jīng)收斂的電路。
??? 在本方法的流程里，定義了實(shí)際需要的時(shí)鐘，不是將整個(gè)時(shí)鐘加額外的約束，而是只針對(duì)關(guān)鍵路徑加額外約束，如圖1所示。
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??? 不可否認(rèn)，這個(gè)流程仍然需要反復(fù)，但是通過(guò)這個(gè)流程綜合產(chǎn)生的網(wǎng)表能夠得到更好的時(shí)序收斂結(jié)果。因?yàn)樵诤蠖藢?shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵路徑在綜合時(shí)被加了更快的約束，而非關(guān)鍵路徑?jīng)]有加額外約束，從而減少了芯片面積，降低了成本。
4 重視寄存器與寄存器之間路徑的最優(yōu)化
??? 通常，設(shè)計(jì)中的輸入輸出(I/O)成為整個(gè)芯片工作頻率的瓶頸，而核心的邏輯能在更快的頻率上工作。所以在綜合時(shí)，放松加在I/O上的約束，使綜合工具能夠?qū)Ｗ⒃诩拇嫫鞯郊拇嫫髀窂降膬?yōu)化。待路徑優(yōu)化滿足了設(shè)計(jì)的需要，再關(guān)注輸入輸出路徑，或者對(duì)輸入輸出路徑做一些結(jié)構(gòu)的微調(diào)以滿足產(chǎn)品的需求。通過(guò)這種方法，可以使綜合工具先優(yōu)化寄存器到寄存器的路徑，然后再優(yōu)化輸入輸出路徑，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
5 利用電容及電阻的物理信息
??? 傳統(tǒng)的基于輸出連線負(fù)載模型不能很好地模擬連線間的延遲。如果設(shè)計(jì)的大小在優(yōu)化時(shí)發(fā)生了變化，即使是定制的連線負(fù)載模型也是低效的，因?yàn)樗恰办o態(tài)”的。現(xiàn)在的綜合工具可以讀入物理庫(kù)文件，可以更好地模擬，并動(dòng)態(tài)地調(diào)整物理連線上的時(shí)序。例如，Cadence公司的RTL Compiler在綜合的時(shí)候，利用布局評(píng)估器(PLE)使用物理信息來(lái)計(jì)算線延時(shí)[2]。雖然PLE沒(méi)有芯片的物理布局布線信息，但是可以用讀入的LEF文件，或者電容文件估算出線延時(shí)。在綜合時(shí)，利用物理信息來(lái)估算連線的電容、電阻以計(jì)算線延時(shí)比用傳統(tǒng)的連線負(fù)載模型更準(zhǔn)確、更高效，而且也容易使用。
6? 設(shè)置正確的時(shí)序特例
??? 時(shí)序特例(timing exception)是綜合工具默認(rèn)的單周期時(shí)序行為的特例。對(duì)于設(shè)計(jì)中每一個(gè)不符合默認(rèn)時(shí)序特征的電路，都要設(shè)置聲明時(shí)序特例，以使綜合工具不去優(yōu)化這條電路，或用更寬松的約束去優(yōu)化。
??? 時(shí)序特例共3種：電路延遲、多周期電路和虛假電路。多周期電路是指需要超過(guò)1個(gè)時(shí)鐘的時(shí)間來(lái)傳送數(shù)據(jù)，需要對(duì)這個(gè)傳送間隔聲明1個(gè)有限個(gè)數(shù)的時(shí)鐘周期。電路延遲特例是指電路的延遲需要滿足具體說(shuō)明的延遲[4]。電路存在于設(shè)計(jì)中，但是不會(huì)被激活，稱為功能虛假電路。綜合工具會(huì)優(yōu)化這些功能虛假電路以滿足時(shí)序的要求。綜合工具是基于靜態(tài)時(shí)序分析的工具。靜態(tài)時(shí)序是基于連接關(guān)系，而不是功能。不管這些路徑是否會(huì)在芯片中真的用到，時(shí)序分析都會(huì)基于連接關(guān)系顯示出這些關(guān)鍵路徑。可以通過(guò)聲明路徑是功能虛假電路來(lái)消除很多不需要的關(guān)鍵路徑。越早清除這些虛假路徑，綜合工具就能越早地優(yōu)化那些真正的路徑，也就能更有效地達(dá)到時(shí)序收斂。所以，設(shè)置正確的、有效的時(shí)序特例至關(guān)重要。
7 允許新的時(shí)序優(yōu)化
??? 新的時(shí)序優(yōu)化技術(shù)可以綜合產(chǎn)生出更好的電路，但是通常會(huì)有邏輯等效性檢查的問(wèn)題。為了避免邏輯等效性檢查題，應(yīng)盡量使用最新版本的邏輯等效性檢查工具，或者使用與綜合工具相對(duì)應(yīng)版本的邏輯等效性檢查工具。邏輯等效性檢查工具在理解綜合優(yōu)化上已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。邏輯檢查工具現(xiàn)在可以驗(yàn)證很多綜合優(yōu)化，比如寄存器重新調(diào)整(register retiming)、邊界優(yōu)化、數(shù)據(jù)分支優(yōu)化和時(shí)序優(yōu)化等。不要因?yàn)檫@些新的時(shí)序優(yōu)化技術(shù)可能產(chǎn)生的邏輯等效性檢查的問(wèn)題就關(guān)掉這些優(yōu)化，這樣會(huì)影響綜合出的電路性能。
8 不要限制對(duì)庫(kù)單元的選擇
??? 在傳統(tǒng)的綜合中，為了得到更好的網(wǎng)表結(jié)構(gòu)，往往限制對(duì)庫(kù)單元(library cell)的選擇。而現(xiàn)在的綜合工具是基于所加的約束條件和目標(biāo)單元庫(kù)來(lái)產(chǎn)生邏輯電路。因此，可供選擇的庫(kù)單元越豐富，綜合工具就越可能優(yōu)化電路，從而平衡電路的面積、速度和功耗，可以給后端提供更好的電路網(wǎng)表。
本文闡述了多種應(yīng)用在SoC芯片設(shè)計(jì)中的綜合技術(shù)，應(yīng)用這些技術(shù)和規(guī)則，可以更加充分地利用現(xiàn)代綜合工具和軟硬件環(huán)境，從而能在更短的時(shí)間內(nèi)，使綜合產(chǎn)生的網(wǎng)表電路速度更快、面積更小、功耗更低，后端實(shí)現(xiàn)時(shí)也能更快地進(jìn)行時(shí)序收斂，從而滿足芯片設(shè)計(jì)的要求。今后將繼續(xù)優(yōu)化本文介紹的綜合技術(shù)，跟蹤使用新的綜合工具，以優(yōu)化本文的芯片設(shè)計(jì)。
參考文獻(xiàn)
[1]?Synopsys Inc. Design compiler reference manual. Release 2006.06， Mountain View， CA， 2006.
[2]?Cadence Inc. RTL compiler reference manual. Release 6.2.2，? Seely Ave.， San Jose， CA， 2007.
[3]?YU Xin You， HONG Peng， YAN Hui Yang. Signal integrity timing closure of million gates SOC platform. IEEE ASICON， 2005.
[4]?JUNG J Y， KIM T. Timing variation-aware high-level synthesis IEEE Computer-Aided Design， 2007.