在現代的芯片設計里邊，工程師在優化功耗和面積上無所不有其極，這里討論的multi-bit FF 就是其中的一種方法或者稱之為一種流程。

MBIT FF vs signle bit FF

Multi-bit顧名思義就是將通常單bit的FF，封裝為一個多bit的FF，下面一起來看一下他們之間的異同：

• 單bit的asyn-clear scan-FF

針對這種單bit的asyn-clear scan-FF，vendor提供了幾種多bit的asyn-clear scan-FF，

• multi-bit2 asyn-clear scan-FF

  

• multi-bit4 asyn-clear scan-FF

  

• multi-bit6 asyn-clear scan-FF

  

• multi-bit8 asyn-clear scan-FF

  

從cell的原理圖上看，multi-bit和signle-bit的區別很小，可以簡單理解為將多個signle-bit的FF并排放到了一起，對于scan chain，也天然的安裝順序連接到一起，簡單總結如下

可以看到，這里會有三類pin是共享關系

• clock pin
• clean/reset pin
• SI/SE pin

所以：由于scan是后插入的，這個對于multi-bit的封裝不敏感外，當且僅當某一組FF在功能上的clock和reset-clear是共享driver的時候，這一組FF才可以被二次封裝成為multi-bit FF

MBIT的優勢

由于MBIT對一些common pin的共享機制，由此帶來的優勢有：

• 基于共享機制，晶體管級別的面積優化
• common pin的使用，減少layout連線損耗
• clock tree的leaf變少，降低clock tree長度和功耗

在cell級別，以T12工藝為例，同樣功能（Scan D Flip-Flop with Async Clear, drive strenth: X1）的signle bit和MBIT的比較如下（PS：用多個單bit 直接搭建多bit 結構進行功耗面積的比對）

如果將signle bit 例化多次進行橫比，MBIT大體上都會在面積上：7.4% ~ 12.96% 的提高幅度，功耗上：-3.93% ~ 7.32% 左右的提升

在了解了multi-bit的機理后，這里需要一起梳理一下multi-bit的流程。

MBIT的流程

RTL 階段對MBIT的推進

在讀入RTL之前，DC里邊通過配置 hdlin參數：hdlin_infer_multibit 來對管理multi-bit的RTL階段的識別，

上述三種方式，僅僅影響RTL mapping階段的multi-bit的識別和創建，言下之意：只對第一個compile_ultra （mapping）的結果有影響。

這里推薦的方案是：** default_none**

• 如果使用never：這個會完全忽略前端設計人員的意圖，可能會丟失directives的信息傳遞
• 如果使用default_all：這個會導致DC 會有一些自己研判的方法，會將multi-bit進行自己研判的替換，這里不會丟失設計者的directives，但是可能會對一些總線或者二維數組進行替換，這里會導致兩類問題
• timing：在第一圈compile_ultra的時候，timing信息并非完整，此時進行multi-bit的替換，勢必會導致后續時需優化的障礙。過早打包可能還需要二次拆包
• register的命名行為。如果RTL是這樣的二維數組定義

reg \\[7:0\\] mem\\[255:0\\]

正常情況下，DC會把這類二位數組mapping成：

mem\\_reg\\[255\\]\\[7\\]  
    mem\\_reg\\[255\\]\\[6\\]  
    ......  
    mem\\_reg\\[255\\]\\[0\\]  
    ......  
    mem\\_reg\\[0\\]\\[7\\]  
    mem\\_reg\\[0\\]\\[6\\]  
    ......  
    mem\\_reg\\[0\\]\\[0\\]

如果，這個時候如果使用了default_all，DC analyze會對此類數組格式進行multi-bit封裝，最終DC compile_ultra生成的instance名字會變得比較奇怪，如下：

\\# use 4bit register bank  
    mem\\_reg\\[255\\]\\[7:4\\]  
    ......  
    mem\\_reg\\[255\\]\\[3:0\\]  
    ......  
    mem\\_reg\\[0\\]\\[7:4\\]  
    ......  
    mem\\_reg\\[0\\]\\[3:0\\]

這種命名方式會給formal帶來一些的障礙，也有可能帶來潛在的timing 隱患

小結： 在RTL解析階段，把RTL directives和hdlin_infer_multibit =default_none結合使用，既尊重原著意思，也可以實現比較可控的multi-bit 替換。如果設計人員不確定哪些一定或者一定不需要去做multi-bit 替換，這里依然使用hdlin_infer_multibit =default_none，這樣在第一個RTL步驟，就之后對于RTL 設計人員的需求，在RTL 分析時進行multi-bit 綁定，但是并不一定會產生替換，前提是timing和控制都能滿足要求。

R2G里的MBIT的流程

從上面的描述可以看到，MBIT的替換主要是為了面積/功耗收益的同時，時序不受影響（不出violation）。所以在physical aware 的DCT完成后，進行替換，是比較合適的時機：

• mapping和邏輯優化基本完成：ICG的影響已經帶入，MBIT的控制共享比較清晰
• 由于是physical aware的DCT，時序信息也基本清楚，這里整體進行MBIT替換可以最大限度的利用MBIT的優勢，如果后期（APR）有時序壓力，可以使用de-banking來進行降解MBIT，也是有二次操作空間

compile_ultra可以根據需求進行MBIT替換，但是需要遵循下列規則：

基于上述原理，用戶可以使用下面的簡單流程在綜合里邊進行MBIT的替換

對MBIT操作的核心命令是：identify_register_banks，這個命令在第一步compile_ultra完成后，可以對DCT/DCG里的FF進行MBIT替換，除過cell之間的相同clock和控制位，identify_register_banks命令會將物理位置相近的FF進行MBIT替換，所以，從S家的R2G策略上將，為了保持良好的繼承性，用戶需要使用DCG流程+ ICC/ICC2 DEF flow(read_def + place_opt -skip_initial_placement)來完成MBIT的替換應用。只有這樣才能把DCG替換FF的物理優勢繼承下來

當然，用戶也可以在ICC/ICC2 進行MBIT的替換，但是由于替換策略都是類似的，也是一定要有cell的初始布局后，才能進行替換，基本流程如下：

這里的流程近似可以看作把place_opt進行了拆分，在第一步coarse placement 后，加入了MBIT的替換，用戶需要手動sorce 這個 腳本（和identify_register_banks類似的用法）進行MBIT替換，而后再繼續執行place_opt剩余的步驟。

無論是在synthesis還是layout階段，MBIT替換的方式主要是基于兩點：

• timing
• 物理位置

只有在timing 有余量，并且物理位置接近的register，才會觸發工具的MBIT替換動作，這樣可以最大限度的降低對當前數據庫的影響，同時也能利用起MBIT的面積和功耗優勢

DC 中 MBIT 替換實例

以DCG為例，在第一步compile_ultra完成后，使用identify_register_banks進行MBIT 替換

• 替換前：
  
• 替換后：可以看到，新創建的MBIT位于原始兩個single bit的中間

命令運行日志：

這里會打印：

• single bit cell 刪除信息
• MBIT pin 連接信息

可以看到 這里的CLK/RB 等控制信號都是需要 同源的，工具也有內建的防錯機制，如果目標single bit的控制端有不同，會以PSYN-1203 的告警進行打印，確保功能不被影響：

注：用戶可以通過set_multibit_option 來控制compile_ultra 命令的行為，這樣在綜合增量優化步驟里邊，工具可以根據set_multibit_option配置的情形，來做banking和de-banking的操作。

MBIT的命名和管腳映射

工具是通過 identify_register_banks 產生MBIT的替換腳本，對于總線，通常是按照升序的策略進行命名的，當然，由于這個是后處理腳本，用戶也可以自己進行修改，但是通常沒必要改變默認行為，以免對后續formal產生影響。簡單命令如下：

對于合成后的MBIT cell，對應的Q輸出，也是沿用升序的方式：

A\\[0\\].Q - > MBIT\\_A\\[0\\]\\_\\_A\\[1\\]\\_\\_A\\[2\\]\\_\\_A\\[3\\].Q1  
A\\[1\\].Q - > MBIT\\_A\\[0\\]\\_\\_A\\[1\\]\\_\\_A\\[2\\]\\_\\_A\\[3\\].Q2  
A\\[2\\].Q - > MBIT\\_A\\[0\\]\\_\\_A\\[1\\]\\_\\_A\\[2\\]\\_\\_A\\[3\\].Q3  
A\\[3\\].Q - > MBIT\\_A\\[0\\]\\_\\_A\\[1\\]\\_\\_A\\[2\\]\\_\\_A\\[3\\].Q4

MBIT通過這樣的命名方式，對于后續的formal mapping和gate-sim等工作是有一定幫助的。