全面介绍充满魔性的Placement

Posted 2021-02-04

相信每个数字后端PR工程师都知道Placement。它是我们设计芯片的两大目的之一——布局布线（Place&Route）。这也是最体现EDA工具的实力强大之处。可能大家平时只是简单的运行一个命令，但是对工具来说，要把几千万个标准单元在几个小时之内正确地摆放好，这是一件非常困难的事情。那今天我们就来学习一下这充满魔性的Placement。

笼统划分的话，Floorplan之后，CTS之前的的stage都归为Placement（现在place已经与preCTS合并为place_opt，传统的create_placement并不推荐使用，但是为了方便理解，这边还是分章节介绍）。那Placement主要摆放了哪些东西呢？我罗列了一下，主要有以下几类：
1) Standard cell
2) Jtag cell
3) Scan cell
4) Spare cell
5) EndCap cell
6) Welltap cell
7) Decap cell
8) Logic Tie_high/Ti_low cell
9) Filler cell
10) Low power cell

Placement有很多限制约束：
1） Placement blockages
Placement blockage的类型很多，一共分为9种，分别对应hard，hard_macro， soft， partial， category，rp_group，allow_buffer_only，allow_rp_only，register。

2）Placement Bound
Bound是一个约束的概念，用来控制placement的摆放，通常，在一个Bound区域里的standard cell会摆放得更近一些。

3) Keepout Margin
这也是blockage的一种，只是比较特殊。它会随着cell一起移动，有点类似覆盖在这个cell上，在这个光圈内的区域不能放置其他单元。当几个Macro之间有congestion问题时，可以添加一些Keepout Margin，阻碍buffer, inverter的插入。

4）Cell Spacing Constraint
该约束可以控制standard cell与standard cell之间以及standard cell与各种boundary之间的摆放间距。

5）Voltage Area
对于multiVoltage的设计，所有的standard cell都必须摆放在对应的voltage area 中，相当于一个exclusive的move bound。

Placement的状态又可以分为unplaced, placed, legalize_only, fixed，locked
unplaced：该instance还未被摆放
placed：该instance已经被摆放，但可以被其他命令移动
legalize_only：该instance已经被摆放，但只能被legalize移动
fixed：该instance已经被摆放，可以被resize，但是不能被其他命令移动
locked：该instance已经被摆放，任何命令，包括手工，都不可以动它

整个Place过程分为两大步：coarse placement(粗摆放)和legalization（合理化）

coarse placement实现的是一个从无到有的过程，它并不会关注standard cell的位置合理性（包括oriention，是否在row上，是否有overlap等等）。工具根据timing,congestion等因素会给standard cell一个大致的位置，所以称之为coarse placement。

而legalization则主要负责将standard cell的位置合理化，但只是在一个小范围内变化，并不会对整个placement的布局产生太大变动。也许会产生新的timing violation，通常会被后面的optimize修掉。

最后，我们如何来运行placement呢？

现在的placement已经和prects的optimize合成在一起，敲击place_opt就可以跑完整个place和optimize的过程。整个命令也可以阶段性的拆分为五步initial_place, initial_drc, initial_opto, final_place, final_opto
initial_place：初步的placement，运行coarse placement
initial_drc：初步的drc修复过程，做一些high fanout synthesis和drc的修复
initial_opto：初始的优化，开始修复timing, congestion, power等因素
final_place：进一步优化timing和routability
final_opto: legalize placement

介绍到这就结束了，虽然现在的工具越来越智能，placement也只是敲一个命令而已。但熟悉这些基本概念，能让我们更好地利用工具，进一步提升我们的工作效率。