ASIC單個模塊的設(shè)計和優(yōu)化思路

ASIC設(shè)計中詳細設(shè)計方案的確定非常重要，同樣的設(shè)計，別人可以用比你小30%的面積和少30%的處理時間來實現(xiàn)，這才是設(shè)計工程師的價值體現(xiàn)之處。任何設(shè)計在最開始的時候都是一頭霧水，場景復(fù)雜，各種耦合。我們要做的是將所有的場景都整理出來，然后想辦法進行歸一。任何一開始覺得不可能做到的任務(wù)最后都能找到解決方法。這本來看似是沒有規(guī)律的世界，但人類就是去不斷尋找和發(fā)現(xiàn)這個物質(zhì)世界的運行規(guī)律。當然，即使第一版設(shè)計我們盡可能的考慮到了更多的場景和實現(xiàn)方案，但是最后實現(xiàn)階段還是會有一些考慮不周全和不合理的實現(xiàn)，由于時間成本原因，決定放到下一版再修改。這個過程就叫做優(yōu)化!那么，如何優(yōu)化一個設(shè)計?

找大寄存器組

首先是找設(shè)計中的大寄存器組，寄存器是面積較大的基本單元了，寄存器的數(shù)量決定了設(shè)計整體的面積數(shù)量級。小容量的存儲用regfile，一般寄存器組用到了上千bit，就要考慮是否用RAM。上萬bit的就是不合理的設(shè)計。

看到大寄存器組是要重點關(guān)注優(yōu)化的對象，要注意的是，寄存器組是可以隨意在任意bit取值的，RAM是需要一拍一拍的讀取的，所以需要在高并行度和面積之前做折中(trade off)。數(shù)據(jù)通路寄存器打拍過多，肯定不合理，一個數(shù)據(jù)打一拍最起碼是幾十個bit，打多拍，就上百bit。而換一個設(shè)計思路，在控制上多少邏輯，控制信號+計數(shù)器，多做幾組也就攏共幾十個bit的樣子。比如前一級模塊傳過來的數(shù)據(jù)和valid信號，數(shù)據(jù)是要晚幾拍才使用，應(yīng)該做成前一級模塊先給valid信號，數(shù)據(jù)晚幾拍再來，避免數(shù)據(jù)打拍。在數(shù)據(jù)通路上出現(xiàn)一些組合邏輯路徑并不長，打了一拍，這樣雖然時序會更好，但是最后增加的面積來說并不值得，所以多余的寄存器打拍完全可以“干”掉。

重定時

Retiming就是重新調(diào)整時序，例如電路中遇到復(fù)雜的組合邏輯，延遲過大，電路時序不滿足，這個時候采用流水線技術(shù)，在組合邏輯中插入寄存器加流水線，進行操作，面積換速度思想。

任何的數(shù)字電路都可以等效成組合邏輯加D觸發(fā)器打拍，兩個D觸發(fā)器之間的組合邏輯路徑?jīng)Q定了，系統(tǒng)的工作頻率，決定芯片的性能。所以為了提高芯片的工作頻率，使用流水線技術(shù)在組合邏輯中插入寄存器。

插入寄存器的位置需要慎重選擇，不同的位置數(shù)據(jù)的打拍所消耗的寄存器的數(shù)量也不同，比方說你在位置a消耗25bit寄存器，位置b消耗20bit寄存器，能省則省。

前面插入寄存器的位置使得comb1的延遲為30ns，comb2的延遲為10ns，系統(tǒng)的最高工作頻率是由最長路徑?jīng)Q定的。也就是說你這個系統(tǒng)最高工作頻率的周期，不小于30ns，前面是插入pipeline，這個時候我們不改變時序，采用重定時技術(shù)，使得各個組合邏輯之間的延遲相當。

瘋狂復(fù)用

找計算邏輯相同的單元，復(fù)用最常見的就是計數(shù)器，能用一個計數(shù)器實現(xiàn)的，就別用倆，底層模塊之間相同的邏輯盡量使用一塊電路，減少重復(fù)的設(shè)計?；具壿媶卧墓蚕砼e例，面積：加法器 > 比較器 > 選擇器。加比選。乘法器本質(zhì)上也是全加器。所以就有先選后比，先選后加，先選后乘。畫個圖意思一下。

這里的加法器可以換成任何邏輯或模塊。

乘法器分時復(fù)用度提高

在計算模塊中乘法器也是非常大的一部分邏輯，一個設(shè)計要考慮PPA最優(yōu)，就要考慮乘法器的數(shù)量多少以及復(fù)用能不能最大化，追求最好的設(shè)計是整個數(shù)據(jù)通路中乘法器空閑不下來。乘法器調(diào)用方法，一般是在乘法器的輸入保證寄存器輸入，結(jié)果輸出到各個復(fù)用模塊時打一拍再使用?？梢宰龀稍谶M行完乘法運算后，就打拍，這樣消耗的寄存器會少很多。畫個圖意思一下(單bit)。

修改前

修改后修改完后的寄存器省了很多，但是乘法器的輸出寄存器負載會變大，不過后端綜合時約束了max_fan_out工具會自動插buffer和復(fù)制寄存器，經(jīng)過實測還是會節(jié)省很多面積，把一些優(yōu)化工作可以交給工具去做，了解它，信任它，使用它。

RAM的復(fù)用

從設(shè)計的整體來看，RAM也可以復(fù)用，前面處理用過的ram，現(xiàn)在空下來，后面能否用。

最后

總結(jié)一下ASIC單個模塊的設(shè)計/優(yōu)化思路，列出所有條件，然后歸一，復(fù)用，面積與速度呼喚的思想貫穿始終。

審核編輯：湯梓紅