Multi-bit的实现方法和应用 （上）

在两年前的一篇文章简单介绍了Multi-bit的一些基本知识，详情请戳：芯片设计里的Multi-Bit FF探究
在此篇旧文的基础上，其实MBFF （Multi-bit FF）还有不少技术细节值得再次学习和理解。据此，这里再次把MBFF相关的技术和流程相关的细节梳理的更为清晰一些。闲言少叙，ICer GO！

MBFF是中后端设计实现常用的手段，这里结合中后端流程，来探讨MBFF的优势和使用策略。

MBFF的优势和劣势

MBFF是把数个single bit FF（SBFF）被封装（banking/merge）到一个MBFF上，对时序优化有一些影响，具体见下：

• 面积优势
  在std-cell构画的时候，进行逻辑共享，面积有明显提升
  
• 功耗优势：由于gate级别的整合，在面积提升的基础上，功耗也有明显收益
  
• 时序劣势：
  下图示例了SBFF到MBFF的物理布局的转变
  
  • SBFF被封装成MBFF后，数据路径的终点会改变，可以变近（如上图FF2），也可能变远（如上图FF1），setup/hold会有变化
  • SBFF被封装成MBFF后，时钟路径的终点会整合，不能像SBFF对每个单独的SBFF的时钟路径灵活使用useful skew进行精细控制
    虽然PPA的优化，MBFF二对一胜出，但是实际情况确实，在中后端几十年以来的timing_driven 实现策略确实这个天平不可忽略的重要因素。具体范例和冲突，本文后面也会单独讨论

MBFF的封装方式

基于MBFF的特性，在整个中后端设计流程中，用户可以在三个地方有选择的进行MBFF的封装操作

• RTL阶段
• 综合阶段
• APR阶段

RTL阶段的MBFF封装

基于中后端设计流程，MBFF的第一个入口是RTL，DC用户可以通过synopsys原语来知道DC对RTL相应的设计进行MBFF的构建。PS：并非显性地（explicit）在RTL中例化MBFF，这样会对设计人员带来很大的约束，也不利于后面的流程。

• RTL指定MB封装
  原语：synpsys infer_multibit REG_NAME
  

在DC的默认配置下，elaborate命令执行的时候，会对上述设计以及原语解析，会对应输出下列日志：

上述日志表达了两个意思：

• 使用原语的q0：synopsys infer_multibit "q0"，被封装成了MBFF。（当然需要满足前文所述的MBFF逻辑设计要求）
• 未使用原语的q1，并未被封装成了MBFF。（即便满足前文所述的MBFF逻辑设计要求）

这里S家也贴心的给中端工程师提供了一个配置供选择。
用户通过变量hdlin_infer_multibit来控制DC elaborate的对应操作。

这个变量有三个选项：

• default_none：DC仅仅根据RTL里边的原语infer_multibit进行MBFF识别。如果没有碰到，就不转化MBFF。PS：这个是DC的默认设置。前提是RTL设计人员需要使用原语进行MBFF指定，否则In-compile MBFF flow无法实现MBFF的封装。具体细节见后续描述
• default_all: DC根据RTL代码的逻辑连接关系，主动地去做MBFF的识别，无论是不是使用原语infer_multibit，DC都会根据逻辑连接关系，尽量进行MBFF的封装，除非DC遇到禁止MBFF封装的原语（后文会提供细节）。
• never：DC工具忽略infer_multibit原语，也不主动去封装MBFF，所以，在elaborate命令下，不会有任何的MBFF封装动作发生
  下图截取了三个不同配置下，elaborate命令的日志，MB列的结果有不同
  

S家为了配合上述变量的灵活使用，当hdlin_infer_multibit配置成default_all的时候，可以使用原语dont_infer_multibit进行排外处理：所有定义这个原语的寄存器，即便用户使用了 hdlin_infer_multibit=default_all的配置，elaborate的时候，也不会对dont_infer_multibit指定寄存器进行MBFF的封装。
如下图示例的q1，即便用户已经使用了default_all，这里在elaborate时，仍然没有发生MB的封装

综合阶段的MBFF封装

RTL的MBFF是通过简单的原语来进行MBFF封装指定(infer_multibit)或者MBFF封装排外指定(dont_infer_multibit)。

除过elaborate对MBFF进行未映射（ unmapped）级别的封装，综合流程主要还是通过compile等命令来进行MBFF的映射（mapped）实现的。

无论是RTL使用原语对MBFF进行指定，抑或使用hdlin_infer_multibit=default_all进行MBFF识别，任何在elaborate阶段的FF，只有存在MB==Y的情形，才是有可能在后期通过compile命令完成MBFF的封装，譬如下图的q0_reg，在compile命令执行中，才是有可能被映射实现成MBFF的

Compile步骤里边，通常有两种方式进行MBFF的映射实现（mapped）。

• In-compile MBFF实现：基于数据库的形态，使用compile 命令，直接进行MBFF的映射实现
• In-place MBFF实现：基于DCT的物理布局数据，对距离相近的FF进行MBFF的封装实现（banking）

这两种方法各有优缺，这里一起来看一下

In-compile MBFF实现

Compile命令，通过下列命令set_multibit_options对MBFF的实现进行配置，已完成从unmapped MBFF到真实的MBFF的实现
PS：顾名思义，这个步骤也需要目标工艺库提供MBFF的支持，因为在elaborate的时候，只是一个基于逻辑的MBFF评判，最终的实现还是在compile挂靠工艺库的操作

• default: 将所有的MBFF的优化配置恢复为default
• exclude_registers_with_timing_exceptions: 设置为true时，对所有带有timing exception的寄存器跳过MBFF的映射实现
• mode：MBFF的模式选择，有下列四种模式可供选择
  • none：compile命令中跳过MBFF封装
  • non_timing_driven：无论时序好坏，工具尽可能的去做MBFF，这样实现的MBFF的比率最高
  • timing_driven：时序驱动的方式去做MBFF映射实现，最后的结果是timing 得到保障的情况下，面积也可以得到了优化
  • timing_only：仅仅时序驱动的方式，时序会最优解，但是面积可能不是最优化的结果。
• ignore_timing_exception: 当exclude_registers_with_timing_exceptions== true的时候，在进行MBFF映射实现的时候，对指定的timing_exception的类型可以进行MBFF的映射，相当于对exclude_registers_with_timing_exceptions选项的一个二次细化。目前支持GROUP_PATH, FALSE_PATH, MULTI_CYCLE_PATH, MIN_DELAY, MAX_DELAY等五类。譬如：

set_multibit_options \
	exclude_registers_with_timing_exceptions true \
	ignore_timing_exception FALSE_PATH 

是对除过FALSE_PATH 的其他所有拥有timing exception的SBFF跳过MBFF映射实现。言下之意就是拥有FALSE_PATH 的SBFF会被封装实现为MBFF。

• critical_range: 当时序驱动模式打开时，这里定义的时序范围都被考量，这个和group_path里的critical_range类似
• path_group：当时序驱动模式打开时，只有这里指定的path_group被考虑。如果不定义这个选项，则所有的path_group都被考虑
  所以，一个实现MBFF的compile命令类似下例：

dc_shell> set_multibit_options -mode timing_driven
dc_shell> compile_ultra -gate_clock -scan

compile结束后，可以通过命令report_multibit_banking查看MBFF的替换结果统计

对于MBFF的替换计算，这里设定，

• MBFF_cnt(n): 拥有n-bit宽度的MBFF的instance数量
• SBFF_cnt：拥有single-bit的SBFF的instance数量
• Total_bit_cnt: 所有的SBFF和MBFF折算成SBFF对应的bit数。这个也就是数据库在不采用MBFF flow的时候的全部FF的数量
• MBFF_ratio: 所有的MBFF对应SBFF的数量占比
  推导出：
  
  综上，衡量一个数据库的MBFF的占比主要是MBFF_ratio这个值，这个值越高，说明数据库中被封装成MBFF的FF越多，相应获得的面积/功耗收益就越大。PS：由于MBFF的类型较多，分别有2、4、8bit等，单纯查看MBFF的instance数量是不全面的。

未完待续…

【敲黑板划重点】

MBFF对PPA有较大贡献，也是现在std-cell的标准交付器件，充分理解MBFF的实现方法和手段，对整个前端、中后端的设计实现会提供很大的灵活性和可控性，无论时设计人员还是实现人员，都是工作中的必备技能。

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