逻辑综合——工艺库

一、库文件的设置

运行DC时需要用到的库文件有：目标库（target library）、链接库（link library）、符号库（symbol library）、算术运算库（synthetic library）。

1、目标库

目标库是综合后电路网表最终要映射到的库。目标库一般由晶圆厂（Foundary）提供，常为.db的格式。

目标库包含各个门级单元的行为、引脚、面积、时序信息、功耗方面的参数等信息。DC在综合时就是根据目标库给出的单元电路的时序信息来计算延迟，并根据各个单元的延时、面积和驱动能力的不同选择合适的单元来优化电路。下图是工艺库中一个cell的信息

2、链接库

链接库设置模块或单元电路的引用。对于所有DC用到的库，我们需要在链接库中指定，其中包括要用到的IP。

目标库更多的指标准单元，链接库更多的指IP，如RAM，IO等

在链接库的设置中必须添加“ * ”，表示DC在引用实例化电路或者单元电路时首先搜索已经调进DC memory的模块和单元电路；否则，可能会出现无法匹配的警告信息。同时，在设置链接库的时候要注意设置search_path，命令为：lappend search_path {"path name"}。则整个流程为：路径面前加*号表示开辟一块单独的内存空间给DC自己使用，然后先搜寻内存中已有的库，然后再搜寻变量link_library指定的其他库。DC搜寻的库为search_path指定的目录（比如说之前读入设计时读入了库a，库a存到内存里；这时DC在进行综合的时候，发现缺少某个东西，于是就先从库a里面找，找不到时就会从列表里面的变量路径中找）。

如果需要将已有的设计从工艺A转到工艺B时，可以将当前的单元综合库A设为link_library，而将单元综合库B设为target_library，重新映射一下就可以了。

3、符号库

符号库是定义了单元电路显示的schematic（原理图）的库。使用图形界面查看、分析电路原理图时需要设置。假如没有设置，DC会用默认的符号库取代。

4、算数运算库

这个库一般是synopsys的库：DesignWare library 和标准单元库，这里指定的就是库的名字了。

DesignWare library 这个库是synopsys的IP库：当使用到synopsys公司的IP核的时候比如使用了该公司的乘法器IP，那么就要定义这个综合库；此外，当需要用到这个库的一些比较高端的IP核的时候，是需要相关的证书（license）的。例如当你在代码中用来“*”或者“+”这操作，那么DC会通过这个你指定的综合库进行映射或者优化这些操作符。

二、工艺库

一般来说，运行DC时需要用到的库文件有：目标库（target library）、链接库（link library）、符号库（symbol library）、算术运算库（synthetic library）。目标库和链接库合称为工艺库。绝大多数的数字设计流程都是基于标准单元的半定制设计流程。标准单元库包含了反相器、缓冲、与非、或非、与或非、锁存器、触发器等等逻辑单元综合模型的物理信息，标准单元是完成通用功能的逻辑，具有同等的高度（宽度可以不同），这样方便了数字后端的自动布局布线。

1、概述

一个ASIC综合库包括如下信息：

一系列单元（包括单元的引脚）。
每个单元的面积（在深亚微米中，一般用平方微米表示，在亚微米工艺下，一般用门来称呼，至于具体的单位，可以咨询半导体制造商）。
每个输出引脚的逻辑功能。
每个输入到输出的传递延时，输出到输出的传递延时；inout到输出的传递延时。

2、内容与结构

Synopsys的工艺库是一个.lib文件，经过LC编译后，产生.db文件。工艺库文件主要包括如下信息:

单元（cell）（的信息）：（主要有）功能、时间（包括时序器件的约束，如建立和保持）、面积（面积的单位不在里面定义，可按照规律理解，一般询问半导体厂商）、功耗、测试等。
连线负载模型（wire load models）：电阻、电容、面积。
工作环境/条件（Operating conditions）:制程（process）（电压和温度的比例因数k，表示不同的环境之间，各参数缩放的比例）
设计规则约束（Design ）:最大最小电容、最大最小转换时间、最大最小扇出。

工艺库的结构如下所示：

文本描述如下所示：

（1）首先是库的属性的描述：

通用属性描述（general attribute）：主要是工艺类型、延迟模型、替代交换方式、库特征、总线命名方式等信息

　工艺类型：这个库没有给出，主要用来说明这个库是CMOS工艺还是FPGA工艺。默认是CMOS工艺。
　延迟模型：指明在计算延迟时用的那个模型，主要有generic_cmos(默认值)、table-lookup(非线性模型)、piecewise-cmos(optional)、dcm(Delay Calculation Module)、polynomial。
　替代交换方式：这里选的是匹配封装的方式。具体的信息可以查阅其他治疗或者询问半导体厂商。
　库特征：报告延迟计算，也就是这个库具有延迟计算的特征。
　总线命名方式：定义库中总线命名规则。例如：bus_naming_style:"Bus%spin%d";这个库没有进行总线规则的命名。

库的文档资料属性（document attribute）：主要是库的版本、库的日期、还有注释。例如：

　　用库报告命令report_lib可显示日期例如：Date:"Wed Jun 22 12:31:54 2005"。
　　修正版属性定义库的版本号码，例如Revision:1.3;
　　注释属性用于报告report_lib命令所显示的信息,如版权或其他产品信息。例如:Comment:"Copyright (c) 2005 Artisan Components, Inc. All Rights Reserved.”

定义单位属性（unit attribute）：

　　 Design Compiler工具本身是没有单位的。然而在建立工艺库和产生报告时，必须要有单位。库中有6个库级属性定义单位:time_ unit(时间单位)、voltage_unit(电压单位)、current_ unit(电流单位)、pulling_resistance_unit(上/下拉电阻单位)、capacitive_load_unit(电容负载单位)、leakage_power_unit(漏电功耗单位)。单位属性确定测量的单位，例如可在库中用毫微秒(nanoseconds)或皮法拉(picofar-ads)作为时间和电容负载的单位。

（2）接下来是环境描述：

　　主要包括操作条件（operation conditions）、临界条件定义（threshold definitions）、默认的一些环境属性（default attributes）、一些（时序、功耗）模型（templates）、比例缩放因子（k-factors）、I/O pad属性（pad attributes）、线负载模型（wire-loads）。

操作条件（operation conditions）：

　在工艺库中，用操作条件设置了制程（process）、温度（temperature）、电压（voltage）与RC树模型（tree_type）。

　　在综合和静态时序分析时，DC要用到这些信息来计算电路的延迟，而库中的这组操作条件为基础（也就是nom_xxxx）操作条件。一个工艺库只有这么一组基础的操作条件，如果要使用不同的操作条件，则需要借助K参数了（见后面）。制程、温度、电压这些很好理解，下面主要说一下这个RC树模型（tree_type）。

　　tree-type属性定义了布局之前延时的计算方式。此外，线负载模型是根据连线的扇出来估算连线的RC寄生参数的，RC如何分配就是根据这个tree-type属性来的。

　　连线延时（从驱动引脚的状态变化到每个接受单元输入引脚的状态变化，线负载模型设每个分枝的延迟是一样的。）的一个示例如下图所示：

　　在这个简单的电路中，BUF1的输出驱动两个单元:BUF2与BUF3。在物理上，这是两根连线。而在网表中，两根连线用一个net来表示。

　　在布局前，假设这两根线有相同的寄生电阻与寄生电容，即Cwire1-Cwire2=R1-R2 。

假设我们想了解从BUF1的输出到BUF2的输入端的延时。这个延时实际上是给连线及BUF2的输入引脚负载进行充、放电所消耗的时间。

如何计算这个延时呢?tree-type就是为此而定义的。Tree-type有三种取值，这个延时就有三种计算模型。

　　A:当它取值为worst-case-tree时，连线的寄生参数采用集总模型，即用Cwire*(Cwire 1+Cwire2)这个乘积表示连线的等效电容，Rwire（R1+R2）表示连线的等效电阻。C1表示BUF1输入引脚的等效电容。C2表示BUF2输入引脚的等效电容。从BUF 1到BUF2的延时计算模型下图所示：

　　在这种模型中，net本身的延迟为Rwire*Cwire .

　　B:当tree-type取值为best-case-tree时，计算延时的RC模型如下图所示：

　　　　　　在这种模型中，Rwire为0，因此net本身的延时为0

　　C：当tree-type取值为balanced-tree时，计算延时的RC模型如下图所示：

　　　　在这种模型中，net的延时为Rwire*Cwire/(N^2)。这里N表示负载数目，本例中取值为2.

临界条件定义（threshold definitions）：

主要是定义一些极限值，比如时钟抖动的最大最小值、输出输出的上升下降沿的最大最小值等等信息，如下图所示：

默认的一些环境属性（default attributes）：

主要是默认漏电流功耗密度、标准单元的漏电流功耗、扇出负载最大值、输出引脚的电容、IO类型的端口电容、输入引脚的电容、最大转换时间。

一些（时序、功耗）模型（templates）：

都是写查找表模型，主要是功耗（比如输入转移时间的功耗）、时序（比如输入线转换的延时、建立时间和保持时间的延时）等等，根据不同的操作环境，进行查表进行选择对应的参数。

比例缩放因子（k-factors）：

由于一般库中只有单元“nom_xxx”的值，为了计算不同的制程、电压和温度下单元的延迟（或者说是计算不同的操作条件），库中提供了比例缩放因子

　I/Opad属性（pad attributes）：

主要就是定义I/O引脚的电平属性，告诉你输入是COMS还是TTL，什么时候达到高电平、什么时候是低电平。

线负载模型（wire-loads）：

　工艺库的线负载模型如下所示：

　　 DC采用wire-load模型在布局前预估连线的延时。通常，在工艺库中，根据不同的芯片面积给出了几种模型（上图所示）。这些模型定义了电容、电阻与面积因子。此外，导线负载模型还设置了slope与fanout_length，fanout-length设置了与扇出数相关的导线的长度。

　　有时候，除了扇出与长度，该属性还包括其他参数的值（这个工艺库没有），例如average_capacitance、standard_deviation与number_of_nets，在DC产生导线负载模型时会自动写出这些值。对于超过fanout-length属性的节点，可将该导线分成斜率不同的几段，以确定它的值。

（3）工艺库剩下的全是标准单元（cell）的描述：如反相器、触发器、与非门、或非门的描述等：

标准单元内容概述

　　综合库中的每个单元都包括一系列的属性，以描述功能、时序与其他的信息。在单元的引脚描述中，包含了如下内容：输入引脚的fanout-load属性、输出引脚的max_fanout属性、输入或输出引脚的max_transition属性、输出或者inout引脚的max_capacitance属性。利用这些描述，可以对设计进行DRC(设计规则检查)。如果某个单元的输出最大只能接0.2pF的负载，但在实际综合的网表中却连接了0.3pF的负载，这时候综合工具就会报出DRC错误。

　　通常，fanout_load与max_fanout一起使用max_transition与max_capacitance一起使用。如果一个节点的扇出为4，它驱动3个与非门，每个与非门的fanout-load是2，则这三个与非门无法被驱动(因为3*2>4)。

　　max_transition通常用于单元的输入引脚，max_capacitance一般用于单元的输出引脚。如果任何节点的transition时间大于引脚的max_transition值，则该节点不能连接。如果发生违例，则DC用一个具有更大max_capacitance值的单元来取代驱动单元。

　　在对输出引脚的描述中，给出了该引脚的功能定义，以及与输入弓}脚相关的延时。输入引脚定义了它的引脚电容与方向。这个电容值不能与max_capacitance值相混。DC利用输入引脚的电容值进行延时计算，而max_capacitance仅用来进行设计规则检查。

　　对于时序元件中的时钟引脚，专门用clock类型进行说明，如下所示:

注:许多设计者都会抱怨工艺库中对单元的DRC属性设置不当，这是由于库的能力是有限的所致。对于一个设计，综合库的DRC设置可能很合适，而对于另一个设计就可能不太合适。这时候，需要设计者对综合库进行“剪裁”。当然，这种“剪裁”必须比库中的定义更为严格。如将一个库中buffd0的Z端的max_fanout由4.0改为2.0的命令：

dc_shell> set_addribute find(pin, ex25/BUFFDO/Z) max_fanout 2.0

上述的命令可以写在synopsys-dc.setup文件中。

三、标准单元的内容

1、单元时序信息

在一个单元的综合库中，最核心的是对时序和功耗的描述。单元时序模型旨在为设计环境中的单元的各种实例提供精确的时序，模拟单元操作的实际情况。

一个单元的延时跟以下因素有关：器件内部固有的延时、输入转换时间(也称为输入上升/下降时间)、负载(驱动的负载及连线)、温度、电压、制程变化。前三个因素是由电路本身的特性所决定的，后三个因素是由环境决定的。在实际电路中，输入转换时间、负载与连接单元的电路有关，所以我们只需要列出在不同的输入转换时间、不同的负载下单元的延时就可以了（这个延时包括器件的内部固有延时）。在确定了之后，我们就可以根据时序模型来确定单元延时了。通常来说，标准单元的时序模型有线性模型和非线性模型两类，Synopsys支持的延时模型包括:CMOS通用延时模型、CMOS分段线性延时模型和CMOS非线性延时查找表模型（Nonlinear Delay Model）。前两种模型精度较差，已经被淘汰，主要用非线性延时模型。

非线性延时模型也称为二维非线性延时模型。在该模型中，用二维列表的形式给出单元在特定的输入转换时间、输出负载下的延迟（包括单元的延时和单元的输出转换时间）。单元的输出转换时间又成为其驱动的下级单元的输入转换时间。库中每个单元有两个NLDM表。对于在范围之内的点，可以用插值的方法得到;对于在范围之外的点，可以用外推的方法得到。线性插值如下图所示:

计算延时的公式为：

Z=A+B*L+C*S+D*L*S 其中，Z代表单元的延时，A, B, C, D是系数，L为输出节点电容，S为输入转换时间。

2、单元功耗信息

功耗主要分为两部分：静态功耗和动态功耗。其中静态功耗是指泄漏功耗，动态功耗包括翻转时的短路功耗及节点电容的充放电所消耗的功耗。节点电容充放电消耗的功耗仅跟VDD、节点翻转率及节点电容有关。其中，VDD和节点电容是固定的，节点翻转率跟输入激励有关，需要通过仿真激励进行计算。因此，在综合库中，不列出充放电功耗。而短路功耗跟输入转换时间和节点电容有关，一般以查找表的形式给出（在综合库中，用internal_power表示）。