本文分析了傳統(tǒng)IC設(shè)計(jì)流程存在的一些缺陷,，并且提出了一種基于Logical Effort理論的全新IC設(shè)計(jì)方法。

眾所周知，傳統(tǒng)的IC設(shè)計(jì)流程通常以文本形式的說明開始，說明定義了芯片的功能和目標(biāo)性能。大部分芯片被劃分成便于操作的模塊以使它們可以分配給多個(gè)設(shè)計(jì)者，并且被EDA工具以塊的形式進(jìn)行分析。邏輯設(shè)計(jì)者用Verilog或VHDL語言寫每一塊的RTL描述,，并且仿真它們，直到這個(gè)RTL描述是正確的,。

得到RTL描述之后,，接下來就是利用邏輯綜合工具來選擇電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和門的大小。綜合工具比手工花更少的時(shí)間得到優(yōu)化路徑和電路圖,。綜合的電路通常邏輯功能是正確的,，但時(shí)序是基于近似負(fù)載模型評估得到的。

電路設(shè)計(jì)完成之后，開始版圖的實(shí)現(xiàn),。版圖通?？梢远ㄖ埔部梢杂米詣硬季植季€工具產(chǎn)生。接下來,，DRC,、ERC、LVS等被用來驗(yàn)證版圖,，后版圖時(shí)序驗(yàn)證工具用從版圖提取出來的電阻,、電容數(shù)據(jù)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿足時(shí)序目標(biāo),。如果電路設(shè)計(jì)階段的時(shí)序評估不精確,，版圖后的時(shí)序肯定不能滿足,，電路必須被修改，再執(zhí)行綜合到版圖的過程,。

在電路設(shè)計(jì)過程中,，最大的挑戰(zhàn)是滿足時(shí)序說明，即時(shí)序收斂,。如果時(shí)序沒有問題,，電路設(shè)計(jì)將變得更加容易。目前的EDA界都意識到這一點(diǎn)：要想在版圖階段達(dá)到時(shí)序收斂,，通常應(yīng)該在綜合階段就考慮更多的物理設(shè)計(jì)信息,。因此，現(xiàn)在很多工具在綜合階段進(jìn)行預(yù)布局布線,，以便在綜合階段盡可能多地了解后端信息,。

其實(shí)這樣做并不是從本質(zhì)上解決問題，因?yàn)樵诰C合階段的時(shí)序評估還是基于負(fù)載模型的理論,，只是現(xiàn)在的模型比以前的要精確一些,，但是與實(shí)際的版圖提取的負(fù)載還是有誤差，因此得到的時(shí)序收斂并不一定可信,。不過這些方法可以減少迭代次數(shù),，但不能真正消除迭代。

為了預(yù)知時(shí)序,，其實(shí)應(yīng)該建立一個(gè)非?？尚诺难舆t預(yù)算模型，也就是這個(gè)模型的延遲預(yù)算應(yīng)該非?？尚?。可信是指如果它預(yù)知電路1比電路2要快,，那么實(shí)際中確實(shí)是這樣,。但是基于負(fù)載模型的方法不是非常可信,，它需要精確的寄生參數(shù)信息,，但在版圖沒有得到的情況下，你是不可能有精確的寄生參數(shù)信息的,。因此需要建立另外一個(gè)延遲模型,，使得它不需要寄生參數(shù)信息也能得到可信的延遲估算。

Logical Effort方法采用的延遲預(yù)算模型就是這樣的一個(gè)模型,，Logical Effort方法是評估CMOS電路延遲的一個(gè)簡單方法,。該方法通過比較不同邏輯結(jié)構(gòu)的延遲來選擇最快的候選者，該方法也能指定一條路徑上適當(dāng)?shù)倪壿嫚顟B(tài)數(shù)和邏輯門的最好晶體管大小。它是設(shè)計(jì)早期評估可選方案的理想方法,，并且為更加復(fù)雜的優(yōu)化提供了一個(gè)好的開始,。

Logical Effort延遲模型

建模延遲的第一步是隔離特定的集成電路加工工藝對延遲的影響。通常,，把絕對延遲表示為兩項(xiàng)之積：一項(xiàng)是無單位的延遲d,，另一項(xiàng)是特征化給定工藝的延遲單位τ。即d_abs=d_τ,。τ可以計(jì)算出來,，例如在0.6μm工藝下τ大約為50ps。

延遲d通常由兩部分組成,，一部分叫本征延遲或寄生延遲,，表示為p，另一部分正比于門輸出端負(fù)載的延遲,，叫做effort延遲,，表示為。即：d=f+p,。

effort延遲依賴負(fù)載和邏輯門驅(qū)動負(fù)載的特性。我們引入兩個(gè)相關(guān)的項(xiàng)：Logical Effort(LE)捕捉邏輯門的特性,，electrical effort(g)特征化負(fù)載的影響,。即f=LE*g，所以d=LE*g+p,。

Logical Effort捕捉邏輯門的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對它產(chǎn)生輸出電流的影響,，它獨(dú)立于晶體管的大小。electrical effort即門的增益,，描述門的電子環(huán)境(即與門連接的東西)怎樣影響它的性能,，也可以說門中晶體管的大小怎樣決定門的負(fù)載驅(qū)動能力。增益的簡單定義是：g=C_out/C_in,。其中C_out為邏輯門輸出端負(fù)載的電容,，C_in為邏輯門輸入端的電容。

至此,，我們可以如圖1所示那樣來計(jì)算延遲d,。

從這里我們看到，延遲依賴門的增益,，而不是它的精確寄生參數(shù),。同時(shí)，Logical Effort理論中還有兩個(gè)非常完美的結(jié)論,。

少的邏輯狀態(tài)不一定能產(chǎn)生最快的電路延遲,。那么多少個(gè)邏輯狀態(tài)將產(chǎn)生最快的電路延遲呢,？對于反向器組成的電路，Sutherland指出：最快的反向器結(jié)構(gòu)發(fā)生在C_out=3.6C_in,。當(dāng)C_out=3.6C_in時(shí),，我們稱反向器的負(fù)載為完美負(fù)載。我們可以定義門的增益為Gain=C_out/(3.6*C_in),，并把它作為電路單元(cell)的延遲預(yù)算。

最快的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有一致可變的Gain,，因此在物理綜合階段,，可以通過仔細(xì)調(diào)整Gain的值，保持時(shí)序不變,。

全新的IC設(shè)計(jì)方法

在進(jìn)行IC設(shè)計(jì)過程中,，最重要的就是怎樣快速從RTL得到GDSⅡ。利用Logical Effort理論,，我們將建立新的IC設(shè)計(jì)方法,。

首先對綜合庫進(jìn)行分析。庫可以是.lib,、LEF,、GDSⅡ等。庫中每個(gè)功能的cell會有不同的尺寸表示不同的驅(qū)動能力,。我們將為這一族cell建立一個(gè)抽象cell,，叫做supercell。這個(gè)supercell有固定的本征延遲和可變的大小,。在對庫進(jìn)行分析時(shí),，我們會給supercell的延遲再加上一個(gè)可變延遲?？勺冄舆t依賴門的負(fù)載,。通常庫分析得到的可變延遲是每個(gè)cell驅(qū)動它的完美負(fù)載得到的延遲，也叫做理想可變延遲,。

supercell庫建好之后,，利用這個(gè)庫和RTL代碼、設(shè)計(jì)限制等就可以進(jìn)行綜合了,。綜合的關(guān)鍵部分就是創(chuàng)建好的邏輯結(jié)構(gòu),。任何設(shè)計(jì)都有許多種功能正確的電路結(jié)構(gòu)。綜合算法的目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)最好的電路結(jié)構(gòu)來滿足時(shí)序目標(biāo),。時(shí)序優(yōu)化過程就是使每個(gè)可變延遲盡可能靠近它的理想可變延遲,。

例如一個(gè)非常簡單的庫，僅僅由五個(gè)基本邏輯門組成：反向器,、兩輸入的AND,、NAND,、OR和NOR門。讓我們進(jìn)一步假設(shè)反向器有8個(gè)版本,，而其它的門有4個(gè)版本,，不同的版本表示不同的尺寸，能提供不同的驅(qū)動能力?，F(xiàn)在我們考慮一個(gè)簡單功能的RTL表示,，例如w=!((!x+y)&Z)。這個(gè)功能可以用不同的邏輯門拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn),，如圖2所示的三種結(jié)構(gòu),。

利用supercell代替庫中的門,，gain-based的綜合只需要快速評估a,、b、c三個(gè)結(jié)構(gòu),，gain等于1的結(jié)構(gòu)就能提供最好的時(shí)序解決方案,，而傳統(tǒng)的方法對于電路a就有128種選擇。因此gain-based的綜合時(shí)間將大大減少,，并且非常簡單,，比傳統(tǒng)的綜合方法有更大的處理容量。

延遲計(jì)算就是利用上一節(jié)的gain-based的方法,?；趕upercell，時(shí)序優(yōu)化設(shè)計(jì)完成之后,，然后固定時(shí)序,，使得接下來的布局布線與邏輯綜合操作在同一平面內(nèi)。

綜合之后,，設(shè)計(jì)進(jìn)入到size-driven布局,、load-driven布線階段。這個(gè)時(shí)候是supercell真正表演的時(shí)候,。首先利用supercell來布局,，同時(shí)確保指定的時(shí)序保持常數(shù)。必要的時(shí)候插入buffer,，并且時(shí)鐘,、電源布線開始。線的負(fù)載是基于網(wǎng)的全局布線結(jié)構(gòu)來決定,?；诿總€(gè)supercell看到的實(shí)際負(fù)載，動態(tài)調(diào)整supercell的大小來滿足時(shí)序預(yù)算,。supercell的大小調(diào)整好之后,，就把supercell用庫中有適當(dāng)驅(qū)動能力的cell來代替,。這里關(guān)鍵的一點(diǎn)就是最小可能大小的門被選取來滿足時(shí)序預(yù)算。結(jié)果芯片不再臃腫,。因而會減少空間競爭,，減少功耗和信號完整性問題。

最后利用詳細(xì)的布線工具來調(diào)整線寬和線的間距,，以保持原始的時(shí)序預(yù)算,，并且確保信號完整。當(dāng)然,，在整個(gè)物理綜合過程中,，我們也會利用DRC、ERC,、LVS等工具來驗(yàn)證各個(gè)階段的版圖，也會利用參數(shù)提取工具在各個(gè)階段來提取參數(shù),，為supercell的大小調(diào)整以及supercell的gain調(diào)整提供信息,。

利用supercell技術(shù)，從RTL到GDSⅡ的實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)主要步驟見圖3,。

這就是基于Logical Effort理論的新設(shè)計(jì)方法,，特別適合于設(shè)計(jì)快速的CMOS電路。在這里我們只簡單描述了它的設(shè)計(jì)思想,。由于只是初步研究,，肯定會有很多錯誤和問題，歡迎大家指出并討論,。