在所有的后端工具里邊，有三個(gè)重要的引擎：auto-place，CTS，auto-route三個(gè)。這里邊的auto-place是決斷了整個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)序的基點(diǎn)。由于，auto-place的動(dòng)作是在設(shè)計(jì)的preCTS階段，所以這里的設(shè)計(jì)時(shí)序就是廣義上說(shuō)的：數(shù)據(jù)路徑（datapath）時(shí)序（timing ）。當(dāng)然，就算是到了CTS/route階段后，也可以繼續(xù)利用auto-place數(shù)據(jù)優(yōu)化的功能，在數(shù)據(jù)庫(kù)上做數(shù)據(jù)路徑增量?jī)?yōu)化（optDesign -increment）?？梢哉f(shuō)，數(shù)據(jù)路徑的優(yōu)化手段，實(shí)際上是貫穿在整個(gè)后端流程上的。這里結(jié)合過(guò)往的經(jīng)驗(yàn)，以及invs特有的先進(jìn)策略，一起來(lái)看看，數(shù)據(jù)路徑優(yōu)化里邊的重要知識(shí)點(diǎn)：路徑分組（path group）?？纯催@其中的奧妙和有趣的事情。ICer GO!眾所周知，無(wú)論是綜合工具（DC、genus或者precision等）抑或是APR工具（icc、icc2或者invs等），數(shù)據(jù)路徑優(yōu)化（data path optimization）一直是影響時(shí)序質(zhì)量的重要因素。由于綜合使用了ideal clock，可以說(shuō)，data path的優(yōu)化就是綜合階段的主要工作，這個(gè)和后續(xù)的APR工具的第一個(gè)主動(dòng)作：auto-place，形成了前后連貫，相輔相成。盡管這兩個(gè)引擎和所處工具的位置不同，但是目標(biāo)是高度一致：優(yōu)化數(shù)據(jù)路徑的時(shí)序。這也是最近兩年聚合型R2G工具大行其道的一個(gè)重要原因。

• S家的Fusion Compiler：DCG + ICC2

• C家的iSpatial：genus + innovus

無(wú)論什么工具，數(shù)據(jù)路徑優(yōu)化（data path optimization）一直是基于路徑分組（path group）進(jìn)行的，想要提高數(shù)據(jù)路徑優(yōu)化就需要了解路徑分組（path group）的理論。

經(jīng)典路徑分組（path group）理論

在經(jīng)典的數(shù)據(jù)路徑優(yōu)化理論（主要是基于S家，因?yàn)镈C是綜合界的長(zhǎng)期主導(dǎo)），對(duì)于數(shù)據(jù)路徑優(yōu)化，DC采用了基于**時(shí)鐘域（clock domain）**的方式進(jìn)行處理：每一個(gè)時(shí)鐘域都會(huì)被工具判定為一個(gè)路徑分組（path group）。

路徑分組（path group）的基礎(chǔ)知識(shí)

PS：雖然最新的DC也提供了基于違例（violation）和設(shè)計(jì)層次（hierarchy）的自動(dòng)路徑分組（path group）創(chuàng)建命令；create_auto_path_groups，但是這個(gè)命令只是一個(gè)補(bǔ)充性的，并沒有動(dòng)搖S家傳統(tǒng)的路徑分組方式。S家的這種分組方式對(duì)用戶是很友好的，基本就是將SDC的create_clock和create_generate_clock命令直接翻譯成了group_path 命令，映射關(guān)系見下表：

這個(gè)簡(jiǎn)單的映射方法，有兩個(gè)潛在的問(wèn)題：

• 如果有g(shù)en-clock的存在，按照時(shí)鐘傳播理論，那么主clock和gen-clock會(huì)同時(shí)送達(dá)同一個(gè)FF

• 如果有多個(gè)主clock存在，跨時(shí)鐘域路徑（cross domain data path）處理方式

利用下圖，來(lái)解釋一下這兩個(gè)問(wèn)題：

• 基于SDC層疊（cascade clock）理論，所有的FF都是使用離它最近的clock或者gen-clock，所以上述的FF1~FF4都是使用了gen-clock，所以這些FF都只會(huì)被歸為gen-clock的domain

• 默認(rèn)情形，SDC里邊所有的clock都是做同步（synchronous）關(guān)系處理，除非用戶單獨(dú)指定，命令是：set_clock_groups -group $PCLK_1_GRP -group $PCLK_2_GRP [-physically_exclusive| -logically_exclusive| -asynchronous

所以，使用下面的SDC命令，DC/SDC 就可以明確每個(gè)FF所歸屬的時(shí)鐘域和同步時(shí)序關(guān)系了：

create_clock/clock_generate_clock
set_clock_groups ...... 

基于路徑分組的優(yōu)化策略

前邊說(shuō)過(guò)，這種方式最大的優(yōu)勢(shì)就是方便，除過(guò)聲明clock domain之間的同步、異步等關(guān)系，用戶不用再做其他設(shè)定，工具就可以處理后續(xù)的事宜。基于上，整個(gè)S家的R2G流程都是使用上述的path group 理論進(jìn)行時(shí)序優(yōu)化的?；玖鞒倘缦拢?/span>

• 基于path group進(jìn)行WNS優(yōu)化，同時(shí)兼顧TNS。（工具總是基于WNS來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，這樣才能有效的提高整體設(shè)計(jì)質(zhì)量。相反只要TNS的重要新并非那么高了）

• 默認(rèn)的path group具有同樣的優(yōu)先級(jí)（weight），除非用戶指定。對(duì)于具有優(yōu)先級(jí)區(qū)別的路徑分組，工具會(huì)在出現(xiàn)修復(fù)沖突的時(shí)候，使用優(yōu)先級(jí)進(jìn)行解沖突（conflict）

所以這里會(huì)衍生出一個(gè)新的問(wèn)題，譬如下圖：對(duì)于上述路徑，F(xiàn)F2會(huì)在同一個(gè)clock domain下有兩個(gè)路徑，F(xiàn)F1->FF2和SRAM1->FF2，如果此時(shí)有下列情景：

• FF1-> FF2 violation -1ns

• SRAM1-> FF2 violation -0.5ns

基于WNS理論，由于-1ns的存在，這個(gè)時(shí)候工具就不會(huì)去做SRAM1->FF2的timing修復(fù)。但是用戶可能更為關(guān)注的是SRAM1->FF2的violation，所以通常的做法就是使用group_path進(jìn)行再次分組，譬如：

group_path -name GRP1 -from FF1 -to FF2
group_path -name GRP2 -from SRAM1 -to FF2 

這樣就會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)平行的組，工具都可以看到他們的TNS，所以大概率的結(jié)果會(huì)是下面的結(jié)果：

這個(gè)做法很常用，并且對(duì)S家的流程也很有好用，但是這里提高SRAM->FF2的代價(jià)是跳過(guò)了FF1->FF2優(yōu)化，也就是說(shuō)整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的WNS（-1ns）并沒有發(fā)生變化。
但是最近使用了invs后，對(duì)invs的分組理論進(jìn)行了學(xué)習(xí)和理解，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新思路，很有趣。

invs 路徑分組（path group）的新思路

C家的R2G流程，基本還是沿用了S家的時(shí)序分析基本理論，基于SDC是標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)序約束交付數(shù)據(jù)，C家嚴(yán)格遵循，除過(guò)一些貓叫咪的名詞差異（leading/tailing等），核心的理論是完全一樣的。PS：這里要給C家點(diǎn)贊，確實(shí)S家在前端和中端的統(tǒng)治地位不容撼動(dòng)，打不過(guò)我就加入，這個(gè)也是順應(yīng)當(dāng)下的商業(yè)策略的。近似的，C家的時(shí)序路徑的優(yōu)化也是基于path group的WNS的，WNS優(yōu)先級(jí)大于TNS。

傳統(tǒng)路徑分組（path group）的挑戰(zhàn)

在讀入SDC后，某些FF會(huì)繼承一個(gè)或者多個(gè)clock domain的屬性，這種比較常見，相應(yīng)的描述可以參見S家的這個(gè)變量這個(gè)變量默認(rèn)是true，也就是說(shuō)無(wú)論是S家還是C家，對(duì)于這種一個(gè)FF上有多個(gè)clock的情形默認(rèn)是可以直接支持的，這樣也對(duì)RTL/SDC的設(shè)計(jì)提供了盡量大的寬容度，一個(gè)圖例如下：譬如這里的FF1，就會(huì)有兩個(gè)clock到達(dá)：gen_clk1_pclk1和gen_clk2_pclk1，按照傳統(tǒng)S家的路徑分組理論，F(xiàn)F1會(huì)被分別歸入到gen_clk1_pclk1和gen_clk2_pclk1兩個(gè)分組，按照默認(rèn)方式，下面的path就有可能形成一個(gè)沖突（conflict）

 FF0 -> FF1  vs FF2-> FF1 

S家的工具默認(rèn)的行為就是對(duì)每一個(gè)組進(jìn)行修復(fù)，組合組之間不做一致性合并（merge），如果在FF0->FF1和徑FF2->FF1的數(shù)據(jù)路徑優(yōu)化發(fā)生分歧（conflict），如果兩個(gè)path’ group優(yōu)先級(jí)恰巧又一樣，S家的工具只能確保一個(gè)結(jié)果會(huì)好一點(diǎn)，這是因?yàn)椋?span style="font-weight:bolder;">數(shù)據(jù)路徑的修復(fù)在同一時(shí)間只能關(guān)注一個(gè)數(shù)據(jù)分組（path group）這個(gè)情形在設(shè)計(jì)中非常常見，如果使用了傳統(tǒng)分組，一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)就是：**同樣重要的時(shí)序很有可能不會(huì)同時(shí)被工具優(yōu)化到最好。**所以，在借鑒了S家的分組方式，C家提出了自己的分組方式思想：基礎(chǔ)路徑分組（BPG：BasicPathGroup）

BasicPathGroup （BPG）的理論和特點(diǎn)

基于上述傳統(tǒng)路徑分組的優(yōu)劣勢(shì)，C家提出了一個(gè)新的思路：在傳統(tǒng)路徑分組的基礎(chǔ)上，疊加一層新馬甲（wrapper）：BasicPathGroup （BPG）。通過(guò)BPG這個(gè)wrapper，可以較好的解決傳統(tǒng)路徑分組的短板。這里看一下S家的時(shí)序分析理論，任何工具對(duì)時(shí)序質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)都是基于終點(diǎn)的（endpoint，EP），這個(gè)是所有STA工具評(píng)判時(shí)序質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)。但是由于時(shí)鐘交疊（clock domain overlap）的情景，會(huì)導(dǎo)致在一個(gè)EP，產(chǎn)生多個(gè)report_timing的結(jié)果（multi path group per FF），同時(shí)也會(huì)讓place_opt的引擎遇到類似的局面：一個(gè)單一FF，會(huì)同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)path group的分組。與其繼續(xù)深耕，不如化繁從簡(jiǎn)（PS：這個(gè)確實(shí)是C家長(zhǎng)期堅(jiān)持的一個(gè)策略：簡(jiǎn)單就是美好），使用BPG，破除傳統(tǒng)的基于clock domain的路徑分組（path group），讓每個(gè)EP回歸到原本應(yīng)該就應(yīng)該有的形態(tài)：獨(dú)一性（unique）。使用BGP的方式，在上述情境下，F(xiàn)F1只會(huì)歸為一個(gè)path group，這樣就可以緩解傳統(tǒng)路徑分組的沖突（conflict）困擾。默認(rèn)invs流程，會(huì)使用BPG的方式進(jìn)行分組，這里會(huì)有兩類明確的組：

• reg2reg：沿觸發(fā)時(shí)序邏輯到沿觸發(fā)時(shí)序邏輯

• reg2cgate：沿觸發(fā)時(shí)序邏輯到電平觸發(fā)的時(shí)序邏輯

除過(guò)上述兩個(gè)組，其余所有未被覆蓋的組都被工具稱作default。所以，一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，在invs里邊的默認(rèn)BGP的加持下會(huì)有這樣的情形：

all = reg2reg + reg2cgate + default 

當(dāng)然，這里邊并非說(shuō)明：all 就等于設(shè)計(jì)里邊的reg + cgate的數(shù)量總和，這是因?yàn)椋喝绻愕脑O(shè)計(jì)里邊有了IO 時(shí)序約束，那么大概率會(huì)有IN2REG或者REG2OUT的類型，這樣：all >= reg_count + cgate_count。默認(rèn)，在同為Effort High的路徑分組下，invs給出了自己的權(quán)重配比：reg2reg > reg2cgtage > default采用的BGP分組：invs工具無(wú)論在何種情形下， 每一個(gè)reg，cgate都只有唯一的最高優(yōu)先級(jí)的主分組，這個(gè)會(huì)給基于TNS修復(fù)方式的place 引擎解放了手腳，大大提升了修復(fù)結(jié)果。當(dāng)然，如果用戶自己明確知道數(shù)據(jù)庫(kù)里邊有IO的時(shí)序路徑，并且需要關(guān)注，也可以使用下列命令進(jìn)行配置，

createBasicPathGroups -expanded 

設(shè)計(jì)里邊的組會(huì)有下面的加總公式：

all = default + reg2reg + reg2cgate + in2reg + reg2out + in2out 

invs也會(huì)配置一個(gè)合理的默認(rèn)優(yōu)先級(jí)，具體如下：

reg2reg > reg2cgate > default > [in2out | reg2out | in2reg] 

C家這里的默認(rèn)處理還是很合理的。這個(gè)也符合用戶的常規(guī)需求。使用BGP模式的時(shí)候，在optDesign的過(guò)程中，工具會(huì)根據(jù)系統(tǒng)情形，對(duì) reg2reg、reg2cgate 等組進(jìn)行逐個(gè)優(yōu)化，基于每個(gè)BGP分組，對(duì)于所有隸屬于High Effort path group的最差的TNS group進(jìn)行優(yōu)化： optDesign always work on worst(TNS_grp_1 … TNS_grp_n)'s group每個(gè)組的WNS的EP進(jìn)行優(yōu)化的原則是：無(wú)論這個(gè)EP屬于那個(gè)clock domain，invs只會(huì)去做到這個(gè)EP最差的路徑優(yōu)化這個(gè)方式，在multi-clock per FF情形，或者復(fù)雜fanin的timing path的情形，是可以得到更好的優(yōu)化結(jié)果，因?yàn)樵谕粫r(shí)間的優(yōu)化是絕對(duì)專注的，不會(huì)有其他的同優(yōu)先級(jí)的path group的path出現(xiàn)。所以，在默認(rèn)情況下，invs就會(huì)得到不差于傳統(tǒng)path group分組方式的結(jié)果。
C家通過(guò)BGP的wrapper，巧妙的處理了復(fù)雜數(shù)據(jù)路徑優(yōu)化種的沖突問(wèn)題，讓工具可以更為專一的進(jìn)行優(yōu)化，而不是把精力浪費(fèi)在了仲裁（arbiter）和path group反復(fù)迭代（iteration）上。

usefulSkew + BGP：時(shí)序修復(fù)的雙殺

眾所周知，invs里邊有很強(qiáng)大的usefulSkew技能，此技能貫穿了auto-place，CTS和auto-route等階段（PS：這里要注意，usefulSkew只是追加，不能替代原有的三大引擎）。如果當(dāng)使用BGP后，每個(gè)EP都有了獨(dú)一的最高優(yōu)先級(jí)的path group，這樣invs在調(diào)節(jié)usefulSkew上的計(jì)算量（compute consume）會(huì)大幅降低。因?yàn)槊恳粋€(gè)path的skew調(diào)節(jié)，都需要工具去評(píng)估這個(gè)path原有的margin才能做出判斷，如果一個(gè)EP分屬于不同的組（但是是同優(yōu)先級(jí)的組），每個(gè)組在這個(gè)EP的slack形態(tài)大概率不一致，工具需要數(shù)倍的計(jì)算時(shí)間和依賴考量（dependency），互相牽制，工具只能選擇在那個(gè)修復(fù)瞬間的最優(yōu)解，但是，隨著path group被不斷被輪詢修復(fù)（repair iteration），上一次的usefule的修復(fù)方式，可能已經(jīng)過(guò)時(shí)（out-of-date），這樣數(shù)據(jù)就會(huì)形成相互牽制（lock），類似一個(gè)狀態(tài)機(jī)（SM），但是它無(wú)法自收斂，最終隨著data path optimization的圈數(shù)達(dá)到極限（iteration limit），數(shù)據(jù)的狀態(tài)就有點(diǎn)中間態(tài)的意味，不太會(huì)達(dá)到一個(gè)好的收斂度。擁有了BGP的usefulSkew，就像插上了翅膀的馬達(dá)，由于依賴度的大幅度降低，可以專注clock skew的調(diào)優(yōu)工作，這個(gè)時(shí)候才能把usefulSkew的性能徹底釋放出來(lái)。和所有的工具命令一樣，BGP也不是完全絲滑，譬如：由于可讀性和命令一致性的原因，針對(duì)BGP，invs也在report_timing的命令里邊做了一些變通處理，這個(gè)后續(xù)會(huì)講到。未完待續(xù) (To be continued ) …

【敲黑板劃重點(diǎn)】

path group是data path optimization的數(shù)據(jù)分類基石，理解其中的理論可以有助于優(yōu)化命令和設(shè)計(jì)流程。