Multi-bit的实现方法和应用 （下）

书接上回，Multi-bit的实现方法和应用 （上），闲言少叙，ICer GO！

In-place MBFF实现

相较于仅基于逻辑连接的MBFF封装，如果考虑到布局的实际情况，那么就有physical aware的in-place的MBFF封装实现，这种思路可以应用在常见的DCT/DCG/genus\_PLE 等综合流程。
和in-compilre相比，这种in-place的MBFF封装，最大的优势，就是physical aware。譬如如下示意图：

可见，工具将距离较近的SBFF封装成了MBFF，简单而言，工具的在封装MBFF时候会更为谨慎（严苛），相应的MBFF的封装比率也自然会下降。

这里以DCT为例，它提供了一种in-place的MBFF实现方式：一种基于综合结果的MBFF封装方法。具体实现方法如下

set_multibit_options -mode none
compile_ultra -gate_clock -scan -spg
identify_register_banks
source MBFF_SCR
compile_ultra -gate_clock -scan -incremental -spg

和In-compile相比，这里需要注意两个地方

• 在compile命令中，跳过MBFF封装步骤
• 使用spg模式运行compile命令
• 基于综合结果使用命令identify\_register\_banks，完成MBFF的in-place体交换。效果见下图：
  
  PS：封装后的MBFF的坐标，是在原始SBFF的中间位置
• MBFF优化后，需要使用compile -incremental进行进一步增量优化，来平抑MBFF带来的QoR影响

这种in-place的MBFF替换有下列好处

• 基于实际物理布局的情形进行MBFF有效替换：

1. 相较常规的MBFF有了物理布局影响的考量，可以有针对性地进行MBFF封装，这个对于最终的物理实现有很好的帮助
2. 传统的in-compilre的MBFF封装，先做封装，再做优化，这样很有可能导致优化受限

• 可选择的基于WNS的封装方式，可以有效控制MBFF封装对WNS的影响

综上可以看出，如果是使用了in-place方式进行MBFF优化，那么这个布局的结果，一定是要传递给后端版图工具，所以需要SYN和APR联动起来，S家的流程如下：

# SYN flow:
dc_shell> set hdlin_infer_multibit never\|default_none
dc_shell> compile_ultra -gate_clock -scan -spg
dc_shell> identify_register_banks  
dc_shell> compile_ultra -gate_clock -scan -incremental -spg
dc_shell> write_file -format ddc -hierarchy top.ddc

#APR flow:
icc_shell> create_mw_lib ...
icc_shell> read_ddc
icc_shell> ......
icc_shell> place_opt_design -spg ......

可以看到。S家是通过SPG flow将此信息紧密联动的，所以说，如果用户使用了in-place的MBFF的流程，那么需要使用SPG流程完成这个信息的有效传递。相较传统的in-compile的MBFF流程，MBFF的对APR实现的挑战会变小。

APR阶段的MBFF封装

从上述的描述可以看到，综合里边可以有效地处理MBFF的封装实现。对应的，基于MBFF的封装原理，除过上述SPG的MBFF流程外，APR阶段也可以自己对MBFF进行封装，以实现PPA的优化。

市面上常见的APR工具是S家ICC/ICC2和C家的innovus，这两个工具都可以对MBFF进行封装，原理是类似的，具体描述见下：

• ICC flow

基于对place 步骤的拆解，这里可以分为三个方法

1. Flow1：SPG flow，参见上述综合的In-place MBFF封装方法
2. Flow2：coarse placement MBFF flow

icc_shell> create_mw_lib ...
icc_shell> read_verilog
icc_shell> ......
icc_shell> set_banking_guidance_strategy \
            -input_map_file MBFF_map.file \
            -register_group_file MBFF_reg_grp.rpt \
            -output_file MBFF_assembly.tcl
icc_shell> create_placement ...... 
icc_shell> source ./MBFF_assembly.tcl
icc_shell> place_opt_design -skip_initial_placement ......

先配置MBFF的应用策略，再创建粗布局（coarse placement），工具这个时候会根据粗布局的结果，构建MBFF封装方式，这个和in-place的MBFF封装流程类似，然后用户将导出的文件MBFF\_assembly.tcl读入，完成MBFF的封装动作。最后使用place_opt_desing进行增量式优化，完成MBFF的封装实现。上述的两个输入文件：MBFF_map.file和MBFF_reg_grp.rpt都是在DC工具通过命令write_multibit_guidance_files来导出，以便指导ICC的MBFF封装方式。

3. Flow3：place\_opt MBFF flow

icc_shell> place_opt 
icc_shell> set_banking_guidance_strategy \
            -input_map_file MBFF_map.file \
            -output_file MBFF_assembly.tcl
icc_shell> create_banking_guidance
icc_shell> source MBFF_assembly.tcl
icc_shell> psynopt

基于SBFF的网表，完成正常的place\_opt，然后基于物理布局结果，进行MBFF的封装实现，最后再做一次增量优化，即可完成MBFF的优化实现过程。如下图示例：

• INVS flow

相较于S家的多个流程的选择，C家的流程比较简单，这个也符合两家一贯的风格，S家细致贴心，C家直接高效。

C家除过对MBFF的封装（merge）以外，也会支持对MBFF打散（split），这些只需要在place阶段进行直接配置就好

invs_shell> setOptMode \
            -multiBitFlopOpt {true| false | mergeOnly | splitOnly} \
            -multiBitFlopOptIgnoreSDC {true | false}

其中：

multiBitFlopOpt==true：        timing_driven 下的MBFF封装和打散
multiBitFlopOpt==false：    禁止MBFF操作，数据库里边已有的MBFF不受影响
multiBitFlopOpt==mergeOnly：    timing_driven 下做MBFF的封装操作
multiBitFlopOpt==splitOnly：    timing_driven 下做MBFF的打散操作

任何阶段设置了setOptMode配置，任何阶段使用place_opt_design | optDesign等命令，都会根据这个设定进行相应的优化，这个选项也会被完整地保存在invs的数据库中。

在invs的任何优化后的数据库中，可以使用命令reportMultiBitFFs -statistics 对MBFF的替换结果进行统计报告：

这个评价系统和DC有一些相似之处，但是对于MBFF替换比率的表达，这里采用了Bit Per Flop：平均计算下，单个FF可以承担的FF bit数量。这个值越高，说明MBFF的替换比率就越高，反之亦然。

Invs还提供了一个pin map的报告文件，（PS：这个需要在invs的session里边导出），命令是：dumpMultiBitFlopMappingFile。这个可以生成

• MBFF的封装（merge）和打散（splie）的动作细节；
• 原先的SBFF（D/Q）和MBFF（D*/Q*）的pin mapping的对应关系

MBFF的命名

基于上述MBFF的实现方法和流程，MBFF的产生通常分为四种

• DC的in-compile 封装MBFF
• DC的in-place封装MBFF
• ICC的in-place封装MBFF
• Invs的in-place封装MBFF

1. 手册给出的示范如下

但是经过测试，得到的是类似下列的封装方式：

这种命名方式可能会对formal的mapping有一定挑战，需要注意一下

2. 第二种和第三种都是in-place的方式，也是使用工具导出的命令进行MBFF的封装，这样如果命名不是很友好，用户可以通过调整脚本进行命名维护，对用户后期的工作较为友好

这个默认模式就是简单将FF的名字使用”\_”进行连接。

3. 第四种是invs是在in-place步骤进行封装的，用户对命名不能干预，

Invs的方法比较友好，前边使用了CDN\_MBIT作为MBFF的引示，中间每一个SBFF都用MB进行引示，这个命名规则比较好理解，formal也比较容易区分。常言道，简洁即简单，看来invs不让用户干预命名，还是对自己的处理很有自信的。

流程梳理和推荐

基于上述陈述，对于MBFF的优化方式已经有了比较全面的理解，这里提供一些具体的数据供各位参考：

1. DCT采用in-place的MBFF封装流程：

2. invs基于netlist，进行的MBFF封装流程

3. invs基于DCT in-place的netlist，进行的MBFF封装流程

结合上述结果，和各个流程的特点，这里有一些建议和推荐

• MBFF可以在三个步骤进行封装实现：RTL，SYN，APR
• 综合阶段通常只作封装，不做打散，
• APR阶段需要基于时序进行封装和打散，timing driven依赖
• MBFF的封装对SBFF的布局有严重依赖：这点符合timing driven的目的

基于此，这里推荐两个flow供大家选择

• SYN-APR MBFF flow
• SYN 打开MBFF优化流程
• APR需要加载SYN吐出的initial placement DEF或者ddc。
• APR 使用skip\_initial\_placement 的place\_opt命令，完成对MBFF的APR实现
• APR MBFF flow
• 基于SBFF的综合数据，在APR的place\_opt阶段开始实现MBFF
• 时序驱动模式下，工具可以自动实现后续步骤的MBFF的封装和打散操作

【敲黑板划重点】

MBFF的流程贯穿在整个设计实现，最终的服务对象还是APR和时序分析。通过理解其流程，可以做出适用于自身设计的方案选择，有效利用其优势，让MBFF助力设计实现，

参考资料

Synopsys _Design Compiler® User Guide_
Synopsys _Multibit Register Synthesis and Physical Implementation Application Note_
艾思考后端实现 _芯片设计里的Multi-Bit FF探究_
艾思考后端实现 _Multi-bit的实现方法和应用 （上）_

作者：艾思后端设计
文章来源：艾思后端实现

推荐阅读

• INVS 对时钟二分频器（reg-clkgen）的理解和处理
• SOC连连看的技术
• 浅谈NoC
• FPGA 高级设计：时序分析和收敛
• FPGA STA(静态时序分析)

更多IC设计干货请关注IC设计专栏。欢迎添加极术小姐姐微信（id:aijishu20)加入技术交流群，请备注研究方向。