一文了解Place and Route

Place and Route是ASIC设计流程中的重要组成部分，在整颗芯片中充当建筑设计师的角色，确定组件的位置以及它们如何连接，同时满足严格的工艺要求。

Place and Route的作用至关重要；如果没有有效的PR，最具创新性的芯片设计也无法成为实物。

什么是Place and Route?

Place and Route是集成电路（IC）和印刷电路板（PCB）电子设计自动化（EDA）过程的关键阶段。这一阶段的输入件是电路原理图——其中电子元件根据所需的功能相互连接。在Place and Route中，两个主要步骤是，首先将各种电子元件放在芯片或PCB上，然后路由它们之间的物理连接。

定义和目的

place过程涉及确定硅片或PCB上每个组件的最佳位置，通常旨在最大限度地减少延迟、节省空间和降低功耗。考虑到组件的尺寸、功耗和散热要求，以及整体设计复杂性，使用各种技术来实现理想的place。

routing在place后进行，重点是使用金属线在每个组件之间创建电气连接。routing必须满足许多设计约束和标准，例如避免信号干扰，满足timing要求，并确保整个设计中的电源分配。routing工具利用复杂的算法来应对复杂的routing挑战，特别是在空间受限且互连密度高的高级工艺节点中尤为普遍。

PR在设计流程中的重要性

place&routing在设计流程中至关重要，因为它直接影响最终产品的性能、功耗和尺寸。place&routing的失误可能导致设计收敛时间的延长，需要多次迭代，并可能导致更高的设计成本。

该阶段对于满足时序要求也至关重要，以确保芯片在所需的时钟速度下正常运行。随着现代芯片日益复杂，包括CPU设计、模拟设计和内存设计，对高效和强大的PR的需求从未像现在这样大。工程师和设计团队不断寻求该领域的改进和创新，努力克服设计物理实现的无数挑战，以提供成功、高质量的电子产品。

基本概念

place和routing的基本概念围绕着几个核心概念：组件的物理排列（place），它们之间的连接（routing），以及同样通过分层方法管理设计复杂性。

• place：这是芯片或PCB上组件的合理安排。每个组件的位置都满足性能、能效和空间利用率等几个标准。优化放置对于最大限度地减少信号延迟和保护硅上的宝贵空间至关重要。
• routing：一旦组件place到位，routing就会用金属线建立它们之间的电气连接。高效routing确保最终电路满足所有关键性能指标，没有任何干扰或信号完整性问题。
• timing要求：满足timing要求是系统以所需速度运行所必需的。满足不同电路组件之间的同步需求非常重要，以避免setup和hold时间违规。
• power：重要的不仅仅是逻辑和timing，还要维护一个强大的power系统。安全高效地向所有组件输送电力至关重要，需要在place和routing阶段进行仔细规划。
• 工艺节点：随着技术的进步，半导体行业转向越来越小的工艺节点。每个节点的减少往往会带来更多的设计挑战，特别是在place和routing工具必须走向的更高的互连密度。

通过掌握这些基本概念，芯片工程师可以提高他们以更少的设计迭代来开发符合预定设计标准的理想芯片的能力。

设计层次结构

在广阔的电子设计流程中，设计层次结构的概念是一个强大的策略，以可管理的方式组织电路元素和互连的复杂性。分层设计将电路分解为子电路或模块，允许设计人员在将这些部分集成到最终产品之前，专注于设计中更小、更易于管理的部分。这种模块化方法不仅简化了设计任务，还允许在设计的不同部分进行并行开发，大大加快了整个过程。

分层设计方法的主要好处包括：

• 易于调试：通过将设计划分为功能块，可以更容易地隔离和解决问题。
• 设计重用：分层设计使在新设计中重用现有模块成为可能，从而节省时间和资源。
• 改进的组织：它允许团队同时处理设计的不同部分，优化劳动力利用率并减少设计收敛时间。

因此，实现设计层次结构是管理推进流程节点时遇到的设计复杂性和扩展挑战的关键因素。

设计重用

设计重用原理深深地融入了IC和PCB设计的结构中。通过重复使用之前已验证和优化的现有设计组件或模块，设计人员可以显著减少设计时间和成本。

设计重用的优势包括：

• 一致性：它促进使用成熟的模块，确保质量一致。
• 效率：重复使用组件有助于加快设计收敛速度，因为许多工作在以前的项目中已经完成并进行了验证。
• 资源分配：工程师可以为设计的创新方面分配更多资源，而不是在每个新的设计周期中重新发明车轮。

为了进一步从设计重用中受益，组织通常维护设计文件库——一个由各种设计团队利用的组件、子系统和设计标准组成的设计库。

设计指标

设计指标是可量化的衡量标准，有助于评估设计过程和最终产品的质量和效率。常见指标包括面积、速度、功耗和实现设计收敛所需的迭代次数。此外，收益率、可制造性评分和单位成本等指标在评估设计的经济可行性方面也发挥着至关重要的作用。

指标通常通过提供明确的目标并允许对不同的设计方法或工具进行客观比较来指导设计过程。准确测量和分析这些指标可以带来更可预测的设计时间表、具有成本效益的生产和高质量的最终产品。

设计复杂性

设计复杂性带来的挑战不可低估。随着消费者和行业对具有更大功能和性能的产品的需求，芯片封装在越来越小的面积上，设计的复杂性也相应升级。设计复杂性表现为互连密度增加，电力和散热要求更严格，以及将模拟、数字和混合信号电路等异构系统集成到单个芯片上。

为了应对这种复杂性，设计师求助于一套复杂的EDA工具，利用先进的算法进行place和routing，可以管理数千个组件和连接。通过分层设计和设计重用方法，再加上各种技术的采用，可以有效地应对高级工艺节点和复杂电路集成的复杂挑战。