MBFF是中后端設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)常用的手段，這里結(jié)合中后端流程，來探討MBFF的優(yōu)勢和使用策略。

MBFF的優(yōu)勢和劣勢

MBFF是把數(shù)個(gè)single bit FF（SBFF）被封裝（banking/merge）到一個(gè)MBFF上，對時(shí)序優(yōu)化有一些影響，具體見下：

• 面積優(yōu)勢
  在std-cell構(gòu)畫的時(shí)候，進(jìn)行邏輯共享，面積有明顯提升
  
• 功耗優(yōu)勢：由于gate級(jí)別的整合，在面積提升的基礎(chǔ)上，功耗也有明顯收益
  
• 時(shí)序劣勢：
  下圖示例了SBFF到MBFF的物理布局的轉(zhuǎn)變
  
• SBFF被封裝成MBFF后，數(shù)據(jù)路徑的終點(diǎn)會(huì)改變，可以變近（如上圖FF2），也可能變遠(yuǎn)（如上圖FF1），setup/hold會(huì)有變化
• SBFF被封裝成MBFF后，時(shí)鐘路徑的終點(diǎn)會(huì)整合，不能像SBFF對每個(gè)單獨(dú)的SBFF的時(shí)鐘路徑靈活使用useful skew進(jìn)行精細(xì)控制
  雖然PPA的優(yōu)化，MBFF二對一勝出，但是實(shí)際情況確實(shí)，在中后端幾十年以來的timing_driven 實(shí)現(xiàn)策略確實(shí)這個(gè)天平不可忽略的重要因素。具體范例和沖突，本文后面也會(huì)單獨(dú)討論

MBFF的封裝方式

基于MBFF的特性，在整個(gè)中后端設(shè)計(jì)流程中，用戶可以在三個(gè)地方有選擇的進(jìn)行MBFF的封裝操作

• RTL階段
• 綜合階段
• APR階段

RTL階段的MBFF封裝

基于中后端設(shè)計(jì)流程，MBFF的第一個(gè)入口是RTL，DC用戶可以通過synopsys原語來知道DC對RTL相應(yīng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行MBFF的構(gòu)建。PS：并非顯性地（explicit）在RTL中例化MBFF，這樣會(huì)對設(shè)計(jì)人員帶來很大的約束，也不利于后面的流程。

• RTL指定MB封裝
  原語：synpsys infer_multibit REG_NAME
  

在DC的默認(rèn)配置下，elaborate命令執(zhí)行的時(shí)候，會(huì)對上述設(shè)計(jì)以及原語解析，會(huì)對應(yīng)輸出下列日志：

上述日志表達(dá)了兩個(gè)意思：

• 使用原語的q0：synopsys infer_multibit "q0"，被封裝成了MBFF。（當(dāng)然需要滿足前文所述的MBFF邏輯設(shè)計(jì)要求）
• 未使用原語的q1，并未被封裝成了MBFF。（即便滿足前文所述的MBFF邏輯設(shè)計(jì)要求）

這里S家也貼心的給中端工程師提供了一個(gè)配置供選擇。
用戶通過變量hdlin_infer_multibit來控制DC elaborate的對應(yīng)操作。

這個(gè)變量有三個(gè)選項(xiàng)：

• default_none：DC僅僅根據(jù)RTL里邊的原語infer_multibit進(jìn)行MBFF識(shí)別。如果沒有碰到，就不轉(zhuǎn)化MBFF。PS：這個(gè)是DC的默認(rèn)設(shè)置。前提是RTL設(shè)計(jì)人員需要使用原語進(jìn)行MBFF指定，否則In-compile MBFF flow無法實(shí)現(xiàn)MBFF的封裝。具體細(xì)節(jié)見后續(xù)描述
• default_all: DC根據(jù)RTL代碼的邏輯連接關(guān)系，主動(dòng)地去做MBFF的識(shí)別，無論是不是使用原語infer_multibit，DC都會(huì)根據(jù)邏輯連接關(guān)系，盡量進(jìn)行MBFF的封裝，除非DC遇到禁止MBFF封裝的原語（后文會(huì)提供細(xì)節(jié)）。
• never：DC工具忽略infer_multibit原語，也不主動(dòng)去封裝MBFF，所以，在elaborate命令下，不會(huì)有任何的MBFF封裝動(dòng)作發(fā)生
  下圖截取了三個(gè)不同配置下，elaborate命令的日志，MB列的結(jié)果有不同
  

S家為了配合上述變量的靈活使用，當(dāng)hdlin_infer_multibit配置成default_all的時(shí)候，可以使用原語dont_infer_multibit進(jìn)行排外處理：所有定義這個(gè)原語的寄存器，即便用戶使用了hdlin_infer_multibit=default_all的配置，elaborate的時(shí)候，也不會(huì)對dont_infer_multibit指定寄存器進(jìn)行MBFF的封裝。
如下圖示例的q1，即便用戶已經(jīng)使用了default_all，這里在elaborate時(shí)，仍然沒有發(fā)生MB的封裝

綜合階段的MBFF封裝

RTL的MBFF是通過簡單的原語來進(jìn)行MBFF封裝指定(infer_multibit)或者M(jìn)BFF封裝排外指定(dont_infer_multibit)。除過elaborate對MBFF進(jìn)行未映射（unmapped）級(jí)別的封裝，綜合流程主要還是通過compile等命令來進(jìn)行MBFF的映射（mapped）實(shí)現(xiàn)的。無論是RTL使用原語對MBFF進(jìn)行指定，抑或使用hdlin_infer_multibit=default_all進(jìn)行MBFF識(shí)別，任何在elaborate階段的FF，只有存在MB==Y的情形，才是有可能在后期通過compile命令完成MBFF的封裝，譬如下圖的q0_reg，在compile命令執(zhí)行中，才是有可能被映射實(shí)現(xiàn)成MBFF的

Compile步驟里邊，通常有兩種方式進(jìn)行MBFF的映射實(shí)現(xiàn)（mapped）。

• In-compile MBFF實(shí)現(xiàn)：基于數(shù)據(jù)庫的形態(tài)，使用compile 命令，直接進(jìn)行MBFF的映射實(shí)現(xiàn)
• In-place MBFF實(shí)現(xiàn)：基于DCT的物理布局?jǐn)?shù)據(jù)，對距離相近的FF進(jìn)行MBFF的封裝實(shí)現(xiàn)（banking）

這兩種方法各有優(yōu)缺，這里一起來看一下

In-compile MBFF實(shí)現(xiàn)

Compile命令，通過下列命令set_multibit_options對MBFF的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行配置，已完成從unmapped MBFF到真實(shí)的MBFF的實(shí)現(xiàn)
PS：顧名思義，這個(gè)步驟也需要目標(biāo)工藝庫提供MBFF的支持，因?yàn)樵趀laborate的時(shí)候，只是一個(gè)基于邏輯的MBFF評(píng)判，最終的實(shí)現(xiàn)還是在compile掛靠工藝庫的操作

• default: 將所有的MBFF的優(yōu)化配置恢復(fù)為default
• exclude_registers_with_timing_exceptions: 設(shè)置為true時(shí)，對所有帶有timing exception的寄存器跳過MBFF的映射實(shí)現(xiàn)
• mode：MBFF的模式選擇，有下列四種模式可供選擇
• none：compile命令中跳過MBFF封裝
• non_timing_driven：無論時(shí)序好壞，工具盡可能的去做MBFF，這樣實(shí)現(xiàn)的MBFF的比率最高
• timing_driven：時(shí)序驅(qū)動(dòng)的方式去做MBFF映射實(shí)現(xiàn)，最后的結(jié)果是timing 得到保障的情況下，面積也可以得到了優(yōu)化
• timing_only：僅僅時(shí)序驅(qū)動(dòng)的方式，時(shí)序會(huì)最優(yōu)解，但是面積可能不是最優(yōu)化的結(jié)果。
• ignore_timing_exception: 當(dāng)exclude_registers_with_timing_exceptions== true的時(shí)候，在進(jìn)行MBFF映射實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，對指定的timing_exception的類型可以進(jìn)行MBFF的映射，相當(dāng)于對exclude_registers_with_timing_exceptions選項(xiàng)的一個(gè)二次細(xì)化。目前支持GROUP_PATH, FALSE_PATH, MULTI_CYCLE_PATH, MIN_DELAY, MAX_DELAY等五類。譬如：

set_multibit_options \
 exclude_registers_with_timing_exceptions true \
 ignore_timing_exception FALSE_PATH

是對除過FALSE_PATH 的其他所有擁有timing exception的SBFF跳過MBFF映射實(shí)現(xiàn)。言下之意就是擁有FALSE_PATH 的SBFF會(huì)被封裝實(shí)現(xiàn)為MBFF。

• critical_range: 當(dāng)時(shí)序驅(qū)動(dòng)模式打開時(shí)，這里定義的時(shí)序范圍都被考量，這個(gè)和group_path里的critical_range類似
• path_group：當(dāng)時(shí)序驅(qū)動(dòng)模式打開時(shí)，只有這里指定的path_group被考慮。如果不定義這個(gè)選項(xiàng)，則所有的path_group都被考慮
  所以，一個(gè)實(shí)現(xiàn)MBFF的compile命令類似下例：

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

compile結(jié)束后，可以通過命令report_multibit_banking查看MBFF的替換結(jié)果統(tǒng)計(jì)
對于MBFF的替換計(jì)算，這里設(shè)定，

• MBFF_cnt(n): 擁有n-bit寬度的MBFF的instance數(shù)量
• SBFF_cnt：擁有single-bit的SBFF的instance數(shù)量
• Total_bit_cnt: 所有的SBFF和MBFF折算成SBFF對應(yīng)的bit數(shù)。這個(gè)也就是數(shù)據(jù)庫在不采用MBFF flow的時(shí)候的全部FF的數(shù)量
• MBFF_ratio: 所有的MBFF對應(yīng)SBFF的數(shù)量占比
  推導(dǎo)出：
  
  綜上，衡量一個(gè)數(shù)據(jù)庫的MBFF的占比主要是MBFF_ratio這個(gè)值，這個(gè)值越高，說明數(shù)據(jù)庫中被封裝成MBFF的FF越多，相應(yīng)獲得的面積/功耗收益就越大。PS：由于MBFF的類型較多，分別有2、4、8bit等，單純查看MBFF的instance數(shù)量是不全面的。

未完待續(xù)…

【敲黑板劃重點(diǎn)】

MBFF對PPA有較大貢獻(xiàn)，也是現(xiàn)在std-cell的標(biāo)準(zhǔn)交付器件，充分理解MBFF的實(shí)現(xiàn)方法和手段，對整個(gè)前端、中后端的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)會(huì)提供很大的靈活性和可控性，無論時(shí)設(shè)計(jì)人員還是實(shí)現(xiàn)人員，都是工作中的必備技能。