ASIC單個模塊的設計和優化思路

ASIC設計中詳細設計方案的確定非常重要，同樣的設計，別人可以用比你小30%的面積和少30%的處理時間來實現，這才是設計工程師的價值體現之處。任何設計在最開始的時候都是一頭霧水，場景復雜，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最后都能找到解決方法。這本來看似是沒有規律的世界，但人類就是去不斷尋找和發現這個物質世界的運行規律。當然，即使第一版設計我們盡可能的考慮到了更多的場景和實現方案，但是最后實現階段還是會有一些考慮不周全和不合理的實現，由于時間成本原因，決定放到下一版再修改。這個過程就叫做優化!那么，如何優化一個設計?

找大寄存器組

首先是找設計中的大寄存器組，寄存器是面積較大的基本單元了，寄存器的數量決定了設計整體的面積數量級。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的就是不合理的設計。

看到大寄存器組是要重點關注優化的對象，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)。數據通路寄存器打拍過多，肯定不合理，一個數據打一拍最起碼是幾十個bit，打多拍，就上百bit。而換一個設計思路，在控制上多少邏輯，控制信號+計數器，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據和valid信號，數據是要晚幾拍才使用，應該做成前一級模塊先給valid信號，數據晚幾拍再來，避免數據打拍。在數據通路上出現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就是重新調整時序，例如電路中遇到復雜的組合邏輯，延遲過大，電路時序不滿足，這個時候采用流水線技術，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。

任何的數字電路都可以等效成組合邏輯加D觸發器打拍，兩個D觸發器之間的組合邏輯路徑決定了，系統的工作頻率，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，不同的位置數據的打拍所消耗的寄存器的數量也不同，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，系統的最高工作頻率是由最長路徑決定的。也就是說你這個系統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，使得各個組合邏輯之間的延遲相當。

瘋狂復用

找計算邏輯相同的單元，復用最常見的就是計數器，能用一個計數器實現的，就別用倆，底層模塊之間相同的邏輯盡量使用一塊電路，減少重復的設計?；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，一個設計要考慮PPA最優，就要考慮乘法器的數量多少以及復用能不能最大化，追求最好的設計是整個數據通路中乘法器空閑不下來。乘法器調用方法，一般是在乘法器的輸入保證寄存器輸入，結果輸出到各個復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和復制寄存器，經過實測還是會節省很多面積，把一些優化工作可以交給工具去做，了解它，信任它，使用它。

RAM的復用

從設計的整體來看，RAM也可以復用，前面處理用過的ram，現在空下來，后面能否用。

最后

總結一下ASIC單個模塊的設計/優化思路，列出所有條件，然后歸一，復用，面積與速度呼喚的思想貫穿始終。

審核編輯：湯梓紅