iPL-布局工具

iEDA大约 10 分钟

iPL布局工具介绍

1 背景简介

1、布局问题：给定有连接线关系（线网）的单元集合以及布局区域，布局对单元进行放置。一般布局目标是最小化线网总线长/时序/功耗，要求单元满足合法性（在布局区域内、对齐Row/Site、单元相互不重叠等）的规定。

线网：单条线网可连接多个Pin点（Pin点位置在单元上或者是在IO处）；线网走线方向只有横纵方向。
单元：形状通常是矩形。单元类型有宏单元、标准单元（时序单元、逻辑单元）等；单元状态有已固定、待放置等。

图1 iPL主要流程图

2 主要实现

2.1 功能实现

图5 iPL中实现的主要布局流程，一步到位求解大规模布局问题是NP难的，因此一般划分为三个阶段：全局布局、合法化和详细布局。

Place std cell into proper location
- satisfy layer poly, well, contact, and metal 1 design rule
- optimize wirelength, timing, congestion
Place macro cell location automatically
Incremental placement
Timing-driven placement (coming soon)
Congestion-driven placement (coming soon)

图6 布局示意图

2.2 工具API实现

方法名	子方法	类型	参数列表	返回值	方法描述
initAPI	*	action	pl_json_path, idb_builder	self	初始化iPL
runFlow	runGP	action	void	self	运行全局布局
runFlow	runBufferInsertion	action	void	self	运行Buffer插入
runFlow	runLG	action	void	self	运行合法化
runFlow	runDP	action	void	self	运行详细布局
runFlow	writeBackSourceDataBase	action	void	self	布局数据写回数据源
runIncrLG	*	action	inst_list	self	运行增量式合法化
updatePlacerDB	*	action	void/inst_list	self	从数据源更新（指定）数据
obtainAvailable WhiteSpaceList	*	action	row_range,site_range	rectanglelist	获取指定区域下的可用布局空间（供插入单元使用）
checkLegality	*	accessor	void	bool	检查当前布局结果的合法性
isSTAStarted	*	accessor	void	bool	检查是否已启动STA
isPlacerDBStarted	*	accessor	void	bool	检查是否已初始化PlacerDB
isAbucasLGStarted	*	accessor	void	bool	检查是否已启动Abucas合法器
reportPLInfo	reportHPWLInfo	accessor	feed	self	报告HPWL信息
reportPLInfo	reportSTWLInfo	accessor	feed	self	报告STWL信息
reportPLInfo	reportLongNetInfo	accessor	feed	self	报告长线网信息
reportPLInfo	reportLayoutInfo	accessor	feed	self	报告版图违例信息
reportPLInfo	reportPeakBinDensity	accessor	feed	self	报告Bin区域的峰值密度
reportPLInfo	reportTimingInfo	accessor	feed	self	报告布局时序信息
reportPLInfo	reportCongestionInfo	accessor	feed	self	报告布局拥塞信息
obtainTimingInfo	obtainPinEarly(Late)Slack	action	pin_name	value	获取Pin上的Slack信息
obtainTimingInfo	obtainPinEarly(Late)ArrivalTime	action	pin_name	value	获取Pin上的ArrivalTime信息
obtainTimingInfo	obtainPinEarly(Late)RequiredTime	action	pin_name	value	获取Pin上的RequiredTime信息
obtainTimingInfo	obtainWNS/TNS	action	clk_name	value	获取WNS/TNS信息
obtainTimingInfo	updateTiming	action	void	self	更新时序评估
obtainCongesionInfo	obtainPinDens	action	void	value	获取Pin Density信息
obtainCongesionInfo	obtainNetCong	action	rudy_type	value	获取线网拥塞信息
obtainCongesionInfo	evalGRCong	action	void	value	更新拥塞评估

3 关键技术

3.1 模块设计

图7 iPL模块划分

PlacerDB模块：封装并维护布局所需的版图数据（layout）和设计数据（Design）
Operator模块：提取布局数据进行操作，期间调用solver模块进行求解，evaluator模块评估指标，checker模块检查布局结果
Solver模块：集合一些成熟的求解工具辅助布局
Checker模块：对当前布局进行违例检查、功能检测、报告输出Evaluator模块：评估当前布局指标
Wrapper模块：从数据源读取布局数据，布局结果写回数据源
API：iPL与外部的交互接口

3.2 可布线性方案

线长梯度：WA 线长光滑模型
密度梯度：e-Density 静电场模型
优化算法：Nesterov梯度下降算法
拥塞评估方法(由iEDA evaluator提供API)：
- LUT-RUDY（Look Up Table-based RUDY）
- Early-GR
细粒度单元膨胀：
- 选择峰值拥塞网格的单元进行膨胀
- H/V双方向独立膨胀
- 动态膨胀率调整
- 超线性膨胀指数修正

当全局布局所有单元足够散开(density overflow < 0.2)，开始进行可布线性评估和优化

图8 iPL可布线性方案流程

4 输入输出

输入

网表优化def文件 ./result/iTO_fix_fanout_result.def

输出

./result/iPL_result.def
./result/iPL_result.v

评测和报告

./result/report/pl_db.rpt

iPL工具的中间报告默认存放在目录：./scripts/design/sky130_gcd/result/pl/

图9 当前的布局结果是否存在违例的检查，详细违例情况在同级目录下文件violation_record.txt

图10 布局优化的线长指标报告，长线网的详细报告在同级目录下文件wirelength_record.txt；单元分布的密度信息，详细报告在同级目录下文件density_record.txt；布局结果的时序信息，详细报告在同级目录下文件timing_record.txt；布局结果的可布线性信息，详细报告在同级目录下文件congestion_record.txt

report/violation_record.txt ：布局违例的单元
report/wirelength_record.txt ：布局的HPWL线长、STWL线长以及长线线长统计
report/density_record.txt ：布局的峰值bin密度
report/timing_record.txt ：布局的时序信息（wns、tns），调用Flute进行简易绕线
report/congestion_record.txt：布局的可布线性信息

5 参数说明

参考iEDA_config/pl_default_config.json: ./scripts/design/sky130_gcd/iEDA_config/pl_default_config.json

参数名称	功能说明	参数范围	默认值
is_max_length_opt	是否开启最大线长优化	[0,1]	0
max_length_constraint	指定最大线长	[0-1000000]	1000000
is_timing_aware_mode	是否开启时序模式	[0,1]	0
ignore_net_degree	忽略超过指定pin个数的线网	[10-10000]	100
num_threads	指定的CPU线程数	[1-64]	8
[GP-Wirelength] init_wirelength_coef	设置初始线长系数	[0.0-1.0]	0.25
[GP-Wirelength] reference_hpwl	调整密度惩罚的参考线长	[100-1000000]	446000000
[GP-Wirelength] min_wirelength_force_bar	控制线长边界	[-1000-0]	-300
[GP-Density] target_density	指定的目标密度	[0.0-1.0]	0.8
[GP-Density] bin_cnt_x	指定水平方向上Bin的个数	[16,32,64,128,256,512,1024]	512
[GP-Density] bin_cnt_y	指定垂直方向上Bin的个数	[16,32,64,128,256,512,1024]	512
[GP-Nesterov] max_iter	指定最大的迭代次数	[50-2000]	2000
[GP-Nesterov] max_backtrack	指定最大的回溯次数	[0-100]	10
[GP-Nesterov] init_density_penalty	指定初始状态的密度惩罚	[0.0-1.0]	0.00008
[GP-Nesterov] target_overflow	指定目标的溢出值	[0.0-1.0]	0.1
[GP-Nesterov] initial_prev_coordi_update_coef	初始扰动坐标时的系数	[10-10000]	100
[GP-Nesterov] min_precondition	设置precondition的最小值	[1-100]	1
[GP-Nesterov] min_phi_coef	设置最小的phi参数	[0.0-1.0]	0.95
[GP-Nesterov] max_phi_coef	设置最大的phi参数	[0.0-1.0]	1.05
[BUFFER] max_buffer_num	指定限制最大buffer插入个数	[0-1000000]	35000
[BUFFER] buffer_type	指定可插入的buffer类型名字	工艺相关	列表[...,...]
[LG] max_displacement	指定单元的最大移动量	[10000-1000000]	50000
[LG] global_right_padding	指定单元间的间距（以Site为单位）	[0,1,2,3,4...]	1
[DP] max_displacement	指定单元的最大移动量	[10000-1000000]	50000
[DP] global_right_padding	指定单元间的间距（以Site为单位）	[0,1,2,3,4...]	1
[Filler] first_iter	指定第一轮迭代使用的Filler	工艺相关	列表[...,...]
[Filler] second_iter	指定第二轮迭代使用的Filler	工艺相关	列表[...,...]
[Filler] min_filler_width	指定Filler的最小宽度（以Site为单位）	工艺相关	1
[MP] fixed_macro	指定固定的宏单元 (string macro_name)	设计相关	列表[...,...]
[MP] fixed_macro_coordinate	指定固定宏单元的位置坐标（int location_x, int location_y）	设计相关	列表[...,...]
[MP] blockage	指定宏单元阻塞矩形区域，宏单元应该避免摆放在该区域（int left_bottom_x, int left_bottom_y, int right_top_x, int right_top_y)	设计相关	列表[...,...]
[MP] guidance_macro	指定指导摆放宏单元，每个宏单元可以设置期望摆放的区域 (string macro_name)	设计相关	列表[...,...]
[MP] guidance	指定对应宏单元的指导摆放区域（int left_bottom_x, int left_bottom_y, int right_top_x, int right_top_y）	设计相关	列表[...,...]
[MP] solution_type	指定解的表示方式	["BStarTree","SequencePair"]	"BStarTree"
[MP] perturb_per_step	指定模拟退火每步扰动次数	[10-1000]	100
[MP] cool_rate	指定模拟退火温度冷却率	[0.0-1.0]	0.92
[MP] parts	指定标准单元划分数（int)	[10-100]	66
[MP] ufactor	指定标准单元划分不平衡值 (int)	[10-1000]	100
[MP] new_macro_density	指定虚拟宏单元密度	[0.0-1.0]	0.6
[MP] halo_x	指定宏单元的halo（横向）	[0-1000000]	0
[MP] halo_y	指定宏单元的halo（纵向）	[0-1000000]	0
[MP] output_path	指定输出文件路径		"./result/pl"

支持功能

支持标准单元的全局布局、合法化、详细布局；
支持对布局结果进行违例检查、报告布局阶段线长、密度、时序、拥塞
支持在布局阶段插入buffer进行长线优化；
支持增量式合法化；
时序优化与拥塞优化进一步完善中；

iPL使用示例

通过tcl启动

参考iPL_script/run_iPL.tcl： <ieda_path>/scripts/design/sky130_gcd/script/iPL_script/run_iPL.tcl

iPL支持使用的tcl命令

run_placer -conifg <config_path> // 完整运行整个iPL
run_filler -conifg <config_path> // 对布局的空白区域进行单元填充
run_incremental_flow -conifg <config_path> // 对改变单元位置的结果进行重新合法化
run_incremental_lg // 进行增量式合法化，需保证iPL已运行
placer_check_legality // 检查当前布局的合法性
placer_report // 对当前布局的状态进行report
init_pl -conifg <config_path> // 对布局器进行初始化
destroy_pl // 销毁布局器
placer_run_mp // 进行宏单元布局
placer_run_gp // 进行标准单元全局布局
placer_run_lg // 进行标准单元合法化
placer_run_dp // 进行标准单元详细布局

Config配置文件

参考iEDA_config/pl_default_config.json: <ieda_path>/scripts/design/sky130_gcd/iEDA_config/pl_default_config.json

JSON参数	功能说明	参数范围	默认值
is_max_length_opt	是否开启最大线长优化	[0,1]	0
max_length_constraint	指定最大线长	[0-1000000]	1000000
is_timing_effort	是否开启时序优化模式	[0,1]	0
is_congestion_effort	是否开启可布线性优化模式
ignore_net_degree	忽略超过指定pin个数的线网	[10-10000]	100
num_threads	指定的CPU线程数	[1-64]	8
[GP-Wirelength] init_wirelength_coef	设置初始线长系数	[0.0-1.0]	0.25
[GP-Wirelength] reference_hpwl	调整密度惩罚的参考线长	[100-1000000]	446000000
[GP-Wirelength] min_wirelength_force_bar	控制线长边界	[-1000-0]	-300
[GP-Density] target_density	指定的目标密度	[0.0-1.0]	0.8
[GP-Density] bin_cnt_x	指定水平方向上Bin的个数	[16,32,64,128,256,512,1024]	512
[GP-Density] bin_cnt_y	指定垂直方向上Bin的个数	[16,32,64,128,256,512,1024]	512
[GP-Nesterov] max_iter	指定最大的迭代次数	[50-2000]	2000
[GP-Nesterov] max_backtrack	指定最大的回溯次数	[0-100]	10
[GP-Nesterov] init_density_penalty	指定初始状态的密度惩罚	[0.0-1.0]	0.00008
[GP-Nesterov] target_overflow	指定目标的溢出值	[0.0-1.0]	0.1
[GP-Nesterov] initial_prev_coordi_update_coef	初始扰动坐标时的系数	[10-10000]	100
[GP-Nesterov] min_precondition	设置precondition的最小值	[1-100]	1
[GP-Nesterov] min_phi_coef	设置最小的phi参数	[0.0-1.0]	0.95
[GP-Nesterov] max_phi_coef	设置最大的phi参数	[0.0-1.0]	1.05
[BUFFER] max_buffer_num	指定限制最大buffer插入个数	[0-1000000]	35000
[BUFFER] buffer_type	指定可插入的buffer类型名字	工艺相关	列表[...,...]
[LG] max_displacement	指定单元的最大移动量	[10000-1000000]	50000
[LG] global_right_padding	指定单元间的间距（以Site为单位）	[0,1,2,3,4...]	1
[DP] max_displacement	指定单元的最大移动量	[10000-1000000]	50000
[DP] global_right_padding	指定单元间的间距（以Site为单位）	[0,1,2,3,4...]	1
[Filler] first_iter	指定第一轮迭代使用的Filler	工艺相关	列表[...,...]
[Filler] second_iter	指定第二轮迭代使用的Filler	工艺相关	列表[...,...]
[Filler] min_filler_width	指定Filler的最小宽度（以Site为单位）	工艺相关	1
[MP] fixed_macro	指定固定的宏单元 (string macro_name)	设计相关	列表[...,...]
[MP] fixed_macro_coordinate	指定固定宏单元的位置坐标（int location_x, int location_y）	设计相关	列表[...,...]
[MP] blockage	指定宏单元阻塞矩形区域，宏单元应该避免摆放在该区域（int left_bottom_x, int left_bottom_y, int right_top_x, int right_top_y)	设计相关	列表[...,...]
[MP] guidance_macro	指定指导摆放宏单元，每个宏单元可以设置期望摆放的区域 (string macro_name)	设计相关	列表[...,...]
[MP] guidance	指定对应宏单元的指导摆放区域（int left_bottom_x, int left_bottom_y, int right_top_x, int right_top_y）	设计相关	列表[...,...]
[MP] solution_type	指定解的表示方式	["BStarTree","SequencePair"]	"BStarTree"
[MP] perturb_per_step	指定模拟退火每步扰动次数	[10-1000]	100
[MP] cool_rate	指定模拟退火温度冷却率	[0.0-1.0]	0.92
[MP] parts	指定标准单元划分数（int)	[10-100]	66
[MP] ufactor	指定标准单元划分不平衡值 (int)	[10-1000]	100
[MP] new_macro_density	指定虚拟宏单元密度	[0.0-1.0]	0.6
[MP] halo_x	指定宏单元的halo（横向）	[0-1000000]	0
[MP] halo_y	指定宏单元的halo（纵向）	[0-1000000]	0

运行的Log、Report

默认存放在目录：<ieda_path>/scripts/design/sky130_gcd/result/pl/

report/violation_record.txt ：布局违例的单元
report/wirelength_record.txt ：布局的HPWL线长、STWL线长以及长线线长统计
report/density_record.txt ：布局的峰值bin密度
report/timing_record.txt ：布局的时序信息（wns、tns），调用Flute进行简易绕线

iPL-布局工具

# iPL布局工具介绍

# 1 背景简介

# 2 主要实现

# 2.1 功能实现

# 2.2 工具API实现

# 3 关键技术

# 3.1 模块设计

# 3.2 可布线性方案

# 4 输入输出

# 5 参数说明

# 支持功能

# iPL使用示例

# 通过tcl启动

# Config配置文件

# 运行的Log、Report