以太網(wǎng)芯片的后端設(shè)計(jì)研究

【關(guān)鍵詞】以太網(wǎng)；ConvLSTM芯片；時(shí)序約束；布局布線優(yōu)化；面積管理

引言

以太網(wǎng)芯片作為現(xiàn)代通信系統(tǒng)的核心組件之一，其性能在很大程度上影響了網(wǎng)絡(luò)整體的運(yùn)行效率。針對以太網(wǎng)芯片進(jìn)行后端設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要重點(diǎn)考慮時(shí)序優(yōu)化、功耗管理和信號(hào)完整性等事項(xiàng)。后端設(shè)計(jì)的目標(biāo)不僅需要確保芯片具有相關(guān)功能，還要在有限的面積和功耗預(yù)算內(nèi)優(yōu)化時(shí)序、減少寄生效應(yīng)、提高電源和信號(hào)的完整性。ConvLSTM芯片作為一種典型的以太網(wǎng)芯片，對其做好后端設(shè)計(jì)相關(guān)工作，有助于使芯片在處理復(fù)雜計(jì)算任務(wù)的同時(shí)，既能夠呈現(xiàn)出高性能，又不會(huì)產(chǎn)生過高的功耗。因此，深入分析和探討ConvLSTM芯片的后端設(shè)計(jì)，具有重要意義。

一、以太網(wǎng)芯片后端設(shè)計(jì)重點(diǎn)內(nèi)容

（一）以太網(wǎng)芯片后端設(shè)計(jì)概述

以太網(wǎng)芯片的后端設(shè)計(jì)質(zhì)量在很大程度上決定了芯片的功能、性能和可靠性。后端設(shè)計(jì)主要涉及布局布線、時(shí)序優(yōu)化、功耗管理、電源和信號(hào)完整性等多方面內(nèi)容[1]。以ConvLSTM芯片為例，提高布局布線的合理性，可以最大化利用芯片面積，減少寄生效應(yīng)，確保信號(hào)穩(wěn)定、可靠地傳遞。針對時(shí)序進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般采用靜態(tài)時(shí)序分析方案進(jìn)行嚴(yán)格的時(shí)序約束，確保數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)精準(zhǔn)傳輸，避免出現(xiàn)延遲或錯(cuò)誤；此外，考慮到功耗管理與熱分析問題，通常采用低功耗設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)策略，提高ConvLSTM芯片的能耗比；在此基礎(chǔ)上，可以優(yōu)化電源網(wǎng)格設(shè)計(jì)方案，提高信號(hào)完整性，降低電壓降和串?dāng)_等問題的發(fā)生率。

（二）時(shí)序約束與靜態(tài)時(shí)序分析在ConvLSTM中的應(yīng)用

時(shí)序約束與靜態(tài)時(shí)序分析是以太網(wǎng)芯片后端設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接決定了芯片的性能和可靠性。ConvLSTM芯片作為一種具有高度并行計(jì)算能力的芯片，其時(shí)序設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度較高。為了確保數(shù)據(jù)在各個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)能夠準(zhǔn)確地傳輸，時(shí)序約束必須在設(shè)計(jì)過程中被嚴(yán)格設(shè)定并優(yōu)化。靜態(tài)時(shí)序分析的特點(diǎn)是，通過計(jì)算每個(gè)信號(hào)路徑的傳播延遲、建立時(shí)間和保持時(shí)間，確保信號(hào)能夠在預(yù)定的時(shí)間窗口內(nèi)穩(wěn)定傳輸[2]。可采用的設(shè)計(jì)方案如下。

1.基于“最壞路徑延遲”的設(shè)計(jì)方案。所謂“最壞路徑延遲（Worst-Case Path Delay，WCPD）”是衡量電路中時(shí)序約束是否滿足的一個(gè)重要指標(biāo)，如式（1）所示：

在式（1）中，Di表示每個(gè)“門”的延遲，Ri和Ci分別表示路徑中電阻和電容的值，N表示路徑上的總“門”數(shù)，Skew表示時(shí)鐘偏移量，Hold Margin表示保持時(shí)間裕量。式（1）反映了時(shí)鐘到輸出路徑的總延遲，考慮了門延遲和電容電阻造成的RC延遲以及時(shí)鐘偏移等因素。通過對“最壞路徑延遲”進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)人員可以評(píng)估某一特定路徑是否能夠滿足時(shí)序約束。比如在ConvLSTM芯片中，若某條路徑的WCPD超過了時(shí)鐘周期的上限，則需要通過調(diào)整布線、降低RC延遲或增加門延遲等方式進(jìn)行優(yōu)化，直到“最壞路徑延遲”這一指標(biāo)能夠滿足時(shí)序要求。

2.建立時(shí)間和保持時(shí)間是靜態(tài)時(shí)序分析中需要特別關(guān)注的兩個(gè)時(shí)序參數(shù)。二者之間的約束關(guān)系如式（2）所示：

在式（2）中，Tclk表示時(shí)鐘周期，Tclk-to-q表示時(shí)鐘沿到觸發(fā)器輸出信號(hào)的延遲，Tcomb表示組合邏輯的延遲，Tsetup和Thold分別表示建立時(shí)間和保持時(shí)間。

對于ConvLSTM芯片而言，確保建立時(shí)間和保持時(shí)間約束的滿足是芯片正常工作的基礎(chǔ)。在計(jì)算一個(gè)特定的時(shí)鐘路徑時(shí)，如果“建立時(shí)間違例（Setup Violation）”大于0，說明建立時(shí)間未滿足，需要增加組合邏輯的延遲或縮短時(shí)鐘周期。而在“保持時(shí)間違例（Hold Violation）”為正時(shí)，意味著信號(hào)在保持時(shí)間內(nèi)沒有穩(wěn)定，需要重新調(diào)整電路設(shè)計(jì)，增加電路的穩(wěn)定性。假設(shè)在設(shè)計(jì)ConvLSTM芯片時(shí)序時(shí)，某條信號(hào)路徑從輸入到輸出需要經(jīng)過多個(gè)邏輯門和寄存器。靜態(tài)時(shí)序分析發(fā)現(xiàn)該路徑的“最壞路徑延遲”為4.5 ns，而時(shí)鐘周期為5 ns，說明在這條路徑上的時(shí)序約束得到了滿足。然而，進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，“建立時(shí)間違例（Setup Violation）”為0.2 ns。為了修正此問題，設(shè)計(jì)人員可以通過調(diào)整時(shí)鐘樹、優(yōu)化RC延遲或加大時(shí)鐘周期等方式，最終消除“建立時(shí)間違例”，確保芯片能夠在預(yù)定時(shí)鐘下穩(wěn)定運(yùn)行。

（三）布局布線優(yōu)化與面積管理

在ConvLSTM芯片的后端設(shè)計(jì)中，優(yōu)化布局布線，做好面積管理工作，有助于提高芯片性能和運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)降低功耗。具體涉及以下兩個(gè)方面：

1.布局布線優(yōu)化。核心是合理安排邏輯單元的位置，最小化信號(hào)路徑長度，減少寄生效應(yīng)和延遲。具體而言，可以通過以下幾種方法進(jìn)行優(yōu)化。（1）層次化布局：將芯片分成多個(gè)模塊，按照功能進(jìn)行劃分，然后對每個(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)立布局，最后再進(jìn)行全局布局。此舉可以減少模塊間的信號(hào)傳輸延遲，并提高布局效率。（2）金屬層選擇與優(yōu)化：使用多層金屬布線結(jié)構(gòu)，高速信號(hào)走線使用高層金屬，低速信號(hào)和電源走線使用低層金屬，以優(yōu)化信號(hào)傳輸質(zhì)量和電源完整性。（3）冗余布線和繞線：在關(guān)鍵路徑上增加冗余布線，并避免繞線，減少信號(hào)反射和串?dāng)_，確保信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性[3]。

2.面積管理。在滿足功能要求的前提下，設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡可能縮小芯片面積，從而降低成本和功耗。在ConvLSTM芯片的設(shè)計(jì)中，面積管理主要包括以下幾點(diǎn)。（1）邏輯單元密度優(yōu)化：通過調(diào)整邏輯單元密度，減少芯片面積，同時(shí)避免因過度密集導(dǎo)致的散熱問題。（2）時(shí)序驅(qū)動(dòng)布局：在布局時(shí)需要優(yōu)先考慮時(shí)序關(guān)鍵路徑上的單元，確保這些單元布局緊湊，達(dá)到減少信號(hào)延遲的目的。（3）功耗與面積權(quán)衡：在縮減面積的同時(shí)，需注意功耗是否增加；設(shè)計(jì)時(shí)要在功耗與面積之間進(jìn)行合理權(quán)衡，以達(dá)到最佳設(shè)計(jì)效果。

二、以太網(wǎng)芯片后端設(shè)計(jì)實(shí)踐分析

（一）ConvLSTM芯片后端設(shè)計(jì)流程分析

在ConvLSTM芯片的后端設(shè)計(jì)中，相關(guān)流程應(yīng)當(dāng)具有“系統(tǒng)化”的特點(diǎn)。只有如此，才能在確保芯片最終性能達(dá)標(biāo)的同時(shí)有效控制制造成本。具體的設(shè)計(jì)流程如下。

1.設(shè)計(jì)輸入階段：設(shè)計(jì)人員需要詳細(xì)分析前端設(shè)計(jì)的網(wǎng)表和時(shí)序約束，將相關(guān)信息轉(zhuǎn)化為后端設(shè)計(jì)的輸入。這主要包括劃分功能模塊、確定時(shí)鐘樹的設(shè)計(jì)方案和初步規(guī)劃電源網(wǎng)絡(luò)等步驟。這一階段的工作為后續(xù)的布局布線和時(shí)序優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

2.布局規(guī)劃階段：設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)考慮到功能模塊的重要性，基于信號(hào)傳輸?shù)木唧w要求，確定各個(gè)模塊在芯片中所處的位置；同時(shí)需要考慮芯片的總體面積，確保各個(gè)模塊緊湊排列，盡量減小空白區(qū)域面積；此外，需要預(yù)留適當(dāng)?shù)娜哂嗫臻g，以應(yīng)對后續(xù)可能出現(xiàn)的設(shè)計(jì)變更。

3.布線階段。設(shè)計(jì)人員需要按照布局規(guī)劃的結(jié)果，針對每個(gè)信號(hào)路徑進(jìn)行詳細(xì)布線，在布線過程中，重點(diǎn)考慮信號(hào)完整性、電源和地線的分布，達(dá)到降低寄生電容和電阻對信號(hào)延遲的影響的目的[4]?？傮w來說，布線的質(zhì)量直接關(guān)系到芯片的時(shí)序性能和功耗，因此需要多次迭代優(yōu)化。以太網(wǎng)芯片布線縱橫分明，相互之間無穿插，且各個(gè)模塊分布均勻，基本沒有浪費(fèi)的空間。

4.時(shí)序驗(yàn)證和功耗分析階段。這一階段意味著所有的布局和布線完成后，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)按照上文所述，進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析和功耗分析，對芯片的性能作出全面評(píng)估。此時(shí)，設(shè)計(jì)人員還需進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃檢查和版圖原理圖校驗(yàn)等檢查，目的是確保設(shè)計(jì)能夠滿足制造工藝要求并與原始電路設(shè)計(jì)要求相符。經(jīng)由上述步驟的驗(yàn)證和優(yōu)化，ConvLSTM芯片后端設(shè)計(jì)全過程即告結(jié)束，能夠?yàn)楹罄m(xù)的制造和量產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（二）電源完整性與IR Drop分析

設(shè)計(jì)人員在針對ConvLSTM芯片進(jìn)行后端設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)重點(diǎn)考慮電源完整性問題，其中的核心要素是電壓降（IR Drop）。所謂電壓降，是指電源傳輸網(wǎng)絡(luò)中由于電流流動(dòng)產(chǎn)生的電阻性電壓下降。若無法對此進(jìn)行有效控制，會(huì)導(dǎo)致芯片內(nèi)部電壓偏離預(yù)期值，從而影響邏輯電路的正常工作。ConvLSTM芯片后端電源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過程一般需要遵循“分層分布”的原則，電源和地線通過多層金屬層分布到整個(gè)芯片。電源網(wǎng)絡(luò)不僅要承載足夠的電流，還要盡量減少電阻與電感，避免過大的電壓降，如式（3）所示：

在式（3）中，I表示電流，R表示電源網(wǎng)絡(luò)的電阻，L表示電感，ddIt表示電流變化率。靜態(tài)IR Drop通常與電源網(wǎng)絡(luò)的電阻有關(guān)，而動(dòng)態(tài)IR Drop與瞬態(tài)電流變化和電感有關(guān)。在高頻運(yùn)作的ConvLSTM芯片中，動(dòng)態(tài)IR Drop產(chǎn)生的影響一般更加顯著。在具體設(shè)計(jì)過程中，IR Drop分析主要通過電源網(wǎng)絡(luò)仿真工具完成。分析時(shí)，設(shè)計(jì)師需要在關(guān)鍵路徑和時(shí)序敏感區(qū)域進(jìn)行細(xì)致檢查，確保這些區(qū)域的IR Drop不會(huì)超出允許范圍。若某一關(guān)鍵路徑的IR Drop過大，可能導(dǎo)致信號(hào)無法達(dá)到預(yù)期電壓，從而影響時(shí)序性能。為了優(yōu)化電源完整性，設(shè)計(jì)人員可以通過加粗電源線、增加去耦電容和調(diào)整電源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等方式達(dá)到降低IR Drop的目的。

（三）熱分析與功耗管理

隨著芯片集成度的提高，單位面積的功耗必然隨之上升，由此可能導(dǎo)致芯片局部溫度過高，影響性能甚至導(dǎo)致器件失效。因此，必須在設(shè)計(jì)中全面考慮熱管理問題。在芯片設(shè)計(jì)過程中，熱分析主要通過仿真工具來進(jìn)行。設(shè)計(jì)人員一般會(huì)在芯片布局完成后，進(jìn)行熱分布仿真以識(shí)別出潛在的熱點(diǎn)區(qū)域。這些區(qū)域通常集中在高頻切換單元和電流密度較大的部分。為了減小溫升影響，設(shè)計(jì)人員可以通過優(yōu)化布局、增大散熱區(qū)域、使用更高導(dǎo)熱系數(shù)的材料或加裝散熱器等方法來進(jìn)行熱管理。

芯片的功耗可以分為動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗。其中，動(dòng)態(tài)功耗與時(shí)鐘頻率和電壓有關(guān)，靜態(tài)功耗則與工藝特性及泄漏電流密切相關(guān)。在設(shè)計(jì)中，降低工作電壓、優(yōu)化時(shí)鐘樹和使用低功耗單元庫，可以有效控制功耗。此外，采用動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)能根據(jù)工作負(fù)載調(diào)整功耗，進(jìn)一步提高芯片的能效。

（四）信號(hào)完整性與寄生效應(yīng)分析

芯片集成度提高的同時(shí)也意味著信號(hào)在芯片內(nèi)部的傳輸路徑變得更加復(fù)雜，這有可能會(huì)影響信號(hào)的完整性，進(jìn)而出現(xiàn)延遲、振鈴和串?dāng)_等問題。

所謂“寄生效應(yīng)”，是指芯片中的寄生電容和電感對信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。這些寄生參數(shù)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)波形失真，進(jìn)而影響芯片的時(shí)序性能和邏輯功能。寄生電容會(huì)使信號(hào)上升變慢，寄生電感則可能引起振鈴和過沖。為了有效控制這些影響，設(shè)計(jì)人員可以使用專業(yè)的SI仿真工具，結(jié)合電路仿真，評(píng)估并優(yōu)化信號(hào)傳輸路徑；此外，可以通過合理安排信號(hào)線間距、選擇合適的金屬層，并在關(guān)鍵路徑上增加終端電阻，有效減少寄生效應(yīng)對信號(hào)完整性造成的影響。

結(jié)語

以太網(wǎng)ConvLSTM芯片后端的設(shè)計(jì)流程包括網(wǎng)表導(dǎo)入、布局規(guī)劃、時(shí)序優(yōu)化、電源網(wǎng)格設(shè)計(jì)、熱分析與功耗管理、信號(hào)完整性分析等環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)人員通過合理設(shè)置時(shí)序約束并進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析，能夠確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。在布局布線優(yōu)化方面，設(shè)計(jì)人員可采用層次化布局方案并選擇合適的金屬層，最大限度地減少寄生效應(yīng)，提高芯片性能；為了保證電源完整性，可以優(yōu)化電源網(wǎng)格以減少IR Drop的影響；采用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)和低功耗設(shè)計(jì)方案，能夠有效降低芯片的熱量生成量與功耗。信號(hào)完整性方面，針對噪聲和串?dāng)_等問題，設(shè)計(jì)人員可以采用多種優(yōu)化方法以提高信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與準(zhǔn)確性?？梢灶A(yù)見，未來隨著技術(shù)的進(jìn)步，芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度會(huì)進(jìn)一步提高。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以通過持續(xù)創(chuàng)新和優(yōu)化進(jìn)一步提高芯片性能和能效。