数字集成电路 后端设计 APR流程 之Astro

Astro布局布线流程随着深亚微米工艺的应用，逻辑门间的连线主导了电路的时序性能。在实际设计时，设计者不再只是完成简单的逻辑门摆放和连线工作，更重要的是要降低实际的连线延迟，使昀后的物理设计时序性能满足设计要求。Astro是由Synopsys公司开发的物理设计软件，适用于现在的主流设计。Astro提供了一套完整的物理设计流程，布局布线同时还具有时序优化功能，可以在一次流程中使设计电路达到预设指标。但Astro步骤繁多、设定复杂，本章将针对Astro的设计流程借助一个简单的设计实例，对Astro一次流程中的主要步骤进行简单说明，使读者短时间内可以了解Astro。一.数据准备本流程中需要的输入数据包括：网表文件（NetlistFile）、时序约束SDC文件（TimingConstraintFile）、参考库（ReferenceLibrary）、定义PAD顺序或位置信息的TDF文件（TopDesignFile）、工艺tf文件（TechnologyFile）。其中工艺文件和部分参考库文件由Foundry提供。1.网表：网表文件由前端工程师提供，格式一般采用verilog（.v）格式。布局布线用网表文件一般由DesignCompiler（DC）综合得到。从DC中输出网表时，需要在脚本中如下命令，以满足Astro的要求。2.时序约束文件：时序约束文件由前端工程师提供，格式一般采用SDC（.sdc）格式，SDC文件也由DC中输出。时序约束文件中所加的约束只能针对顶层端口，文件中时钟定义可能需要加以修改。因为从DC中输出的时钟定义一般不指定具体的单元及其端口，Astro通常很难根据这样的时钟定义找到真正的时钟源，因此需要先在网表中找到真正的时钟端口，并据此在SDC文件中加以修改。例如，原来的SDC文件中时钟的定义片段为：原来的时序约束文件是给予综合的DC用，而不是用来布局布线的。所以综合用的SDC文件中只给出了一个“产生时钟（createclock）”的命令，根据上面这段时序约束文件中的片段，Astro一般无法找到clk_div/clk，因此需要将“get_pin”的目标修改替换为在网表中的一个实际的时钟产生的单元：clk_div/CK01D1/Z.。修改SDC片段结果如下：3.参考库：参考库包括标准单元（STD）库、输入输出单元（I/O）库和IP库。前两种都由Foundary提供，IP库可以由Foundary提供，也可以用户自己建立。举一个简单的例子简要说明下IP库的建立。在某些项目中，比较典型的用户自定义RAMIP模块。使用MemoryCompiler可以产生GDSII文件，需要自己建立Milkyway格式IP库以作为参考库代入Astro设计流程。其具体步骤为：1.运行MemoryCompiler，产生需要的Memoryblock，具体参考memorycompiler的使用手册。2.运行Astro，把GDSII文件导入，Smash，进行BlockagePinViaExtraction后产生FRAMview。3.在Astro中把memorycompiler产生的lib文件转换成clf文件并读入，或者读入.db文件，生成TIM/LMview。关于导入GDSII文件具体参考《milkywaydatabasepreparation》，需要注意两点：1.层号（LayerNumber）问题，不同的工艺下的相同层的层号可能不同。如若不同，需要写一个映射文件在读入GDSII文件转换。2.特殊自定义模拟单元的IP库的，ib文件、clf文件等需要自己写，由Astro读入生成IP库的LMview，若仅由GDSII文件生成一个Framview，IP库的Milkyway格式的库中没有TIMview，在时序驱动（TimingDriven）流程中处理到和这些模块相关的Net/Port的时候会有许多相关的Warning或TimingError。为了消除这些Warning和TimingError，就需要把相应的.lib或者.db文件导入库中，以生成一个TIM/LMview。这时可以简单地手工写一个lib文件，导入库中即可。例如：4.TDF文件：这里用到的TDF文件定义了Pad的排列顺序。需要注意的是：综合产生的网表中没有定义某些没有逻辑意义的Pad，如cornercell，splitcell以及powercell的顺序，这些Pad和I/OPad的摆放边和顺序都在该TDF文件中定义。二.开始（Setup：DesignSetup+TimingSetup）在Terminal中，引导到运行目录下内输入命令：启动软件后，很多布局布线步骤都可以写成脚本，直接载入运行即可。这样既免去了一次次点鼠标提高工作效率，也减少手工操作可能会带来的失误。该命令“Astro”也包括“-logd、-cmdd”等参数来记录命令和软件运行历史。考虑到读者初次接触Astro，随后章节中多采用图形界面的操作方式。基本的步骤是：1.建立库（cmCreateLib）Library→Create在弹出“CreateLibrary”窗口中，填上“LibraryName、TechnologyFileName”相应的表格。“LibraryName”是设计库的名字，库是设计单元的集合。“TechnologyFileName”即为第一节数据准备中提及的工艺tf文件和文件引导路径。一般前端综合DC输出网表是对大小写敏感的，因此建立库的时候要注意把“SetCaseSensitive”选项选上（默认）。图2-1点击“OK”按钮，Library建立成功。Astro启动目录下会产生一个以“LibraryName”命名的文件夹，随后的单元的设计数据都将会保存在本目录下。图2-22.读入Verilog（auVerilogToCell）1.在Astro的主窗口内输入命令这条命令集合了旧版Astro设计流程中的加上参考库（cmRefLib）、读入网表（auVerilogIn）和打平网表（cmCmdExpand）等几个个步骤。图2-32.在弹出窗口中填入“LibraryName、CellName、VerilogFileName”。“LibraryName”是刚刚建立的设计库名。“CellName”单元名即随后具体的设计对象。“VerilogFileName”是第一节数据准备中提及的网表文件和文件引导路径。3.点击“ReferenceLibrary”按钮，顺序添加几个参考库后，点击“Hide”按钮隐藏窗口。“ReferenceLibrary”是第一节数据准备中提及的参考库文件。参考库可以是一个或者多个，如STD、IO、IP等。图2-44.点击“GlobalNetOptions”按钮，“NetName、PortPattern”分别都设置为“VDD、VSS”，并且“Apply”一下，点击“Hide”按钮隐藏窗口。5.点击“OK”按钮。网表将被参照参考库或Astro默认的库读入，在设计库文件夹下产生一个以“CellName”命名的文件夹，其中包含几种设计观点cellview。图2-53.打开库（geOpenLib）Library→Open在弹出窗口中填入“LibraryName”，点击“OK”按钮。图2-64.打开单元（geOpenCell）Cell→Open打开本节第2步中生成的单元，图2-7为弹出的窗口视图。图2-7为使图片清晰，截图中，笔者将结构视图内容部分进行了反色处理。可以发现，该部分由一些大小不一的方框“堆积”而成，这些方框就是STD、IO、IP单元的Framview。由于设计尚未进行布局规划（floorplan），它们都被“堆积”在视图的左下角（low-left）。若网表是层次化的，还需要使用（astMarkHierAsPreserved）命令来标记保留层次化，至此设计启动部分（DesignSetup）流程结束。5.装载SDC文件(ataLoadSDC)Timing→LoadSDC1.在Astro的主窗口内输入命令：推荐在装载SDC文件前移除设计中所有的时序相关的约束。2.在弹出窗口中“SDCFileName”表格中填入，SDC文件名极其引导路径。SDC文件是第一节数据准备中提及的时序约束文件。图2-83.点击“OK”按钮载入SDC文件。图2-96.时序设置（atTimingSetup）Timing→TimingSetup在弹出窗口中，根据需要选择相应的选项，设置相关环境参数、优化目标。注意！这些设置选项在流程的后面可能会有改变。另外本流程中部分选项设定使用系统默认，设定不作改变部分不在图2-10中作图示方式列出。图2-107.保存单元数据（geSaveAs）Cell→SaveAs填入自定义单元名称，阶段性保存设计数据。图2-11补充说明：综合产生的网表一般不包含电源、地的Pad、Corner、Split、Power等单元，可以利用（geAddCell）Create→Cell命令在设计单元中建立这些单元。笔者个人偏好在DC输出的Verilog网表中手动修改网表，以引用ReferenceLibrary中的单元的方式在网表中加入这些Cell。三.布局规划（Floorplan）Floorplan在整个流程中处于十分重要的地位，Floorplan不单指Astro中的axgPlanner命令，还包括macro的放置，电源布线设计（PowerPlan）。因为Floorplan一旦确定，则整个芯片的面积就已经确定了。Floorplan的质量也与整个设计的timing和布通率有着密切的关系。流程中的反复主要是发生在这一步中，如果这本步骤开始就规划得比较好，则随后的以便通过一步流程通过的几率就较高；反之，很可能出现完成了随后若干步骤后，发现设计无法通过修正继续布通的情况，那时只能返回到这一步，造成很大时间人力的浪费。1.载入TDF文件（axgLoadTDF）DesignSetup→LoadTDF将设计单元名称和TDF文件以极其路径填入弹出表格中的“CellName、TDFFileName”，此处TDF文件即为是第一节数据准备中提及的TDF文件。图3-12.全局的Floorplan（axgPlanner）DesignSetup→SetUpFloorpan图3-2如图3-2中的参数来完成设置，并且点击“OK”完成初步的布局规划。本设计流程中包含了一些的macro单元，不能简单地通过指定根据core的利用率（Aspectratio）来让Astro决定设计的尺寸，而只能通过指定宽/长（width/hight）来确定。同时考虑到标准单元支持背对背摆放（DoubleBack），把DoubleBack选中（默认）。另外如果设计允许的话，周边（CoreToLeft、Right、Botton、Top）可以留的宽一些，这样外圈的电源环（PowerRing）可以尽量设计得粗一些，保证芯片的电源供电安全。图3-3可以发现，图3-3中已经具有芯片的雏形：ChipArea中，Pad包围着CoreArea。有待布局的宏单元（Macro）水平放置在ChipArea上方，标准单元（STD）垂直堆积在ChipArea右方。3.添加PadFiller单元（axgAddPadFiller）PostPlace→FillerCell：AddPadFillers参考ReferenceLibrary中提供的Padfiller单元，填入弹出窗口中的“Filler”表格并且点击“OK”按钮。图3-44.连接电源和地（aprPGConnect）PreRoute→ConnectPortstoP/G“CellTypes、PortPattern”分别设置成VDD、VSS并点击“Apply”按钮，其余按图3-5中设置方式设置。图3-55.生成PadRing(axgCreatePadRings)PreRoute→PadRingsPadRing是给Pad供电的环状电源通路。图3-66.放置Macro单元。放置Macro没有特别的固定的规则，主要是根据设计要求以及设计本身来合理地摆放macro单元的位置。