ASIC单个模块的设计和优化思路

ASIC设计中详细设计方案的确定非常重要，同样的设计，别人可以用比你小30%的面积和少30%的处理时间来实现，这才是设计工程师的价值体现之处。任何设计在最开始的时候都是一头雾水，场景复杂，各种耦合。我们要做的是将所有的场景都整理出来，然后想办法进行归一。任何一开始觉得不可能做到的任务最后都能找到解决方法。这本来看似是没有规律的世界，但人类就是去不断寻找和发现这个物质世界的运行规律。当然，即使第一版设计我们尽可能的考虑到了更多的场景和实现方案，但是最后实现阶段还是会有一些考虑不周全和不合理的实现，由于时间成本原因，决定放到下一版再修改。这个过程就叫做优化!那么，如何优化一个设计?

找大寄存器组

首先是找设计中的大寄存器组，寄存器是面积较大的基本单元了，寄存器的数量决定了设计整体的面积数量级。小容量的存储用regfile，一般寄存器组用到了上千bit，就要考虑是否用RAM。上万bit的就是不合理的设计。

看到大寄存器组是要重点关注优化的对象，要注意的是，寄存器组是可以随意在任意bit取值的，RAM是需要一拍一拍的读取的，所以需要在高并行度和面积之前做折中(trade off)。数据通路寄存器打拍过多，肯定不合理，一个数据打一拍最起码是几十个bit，打多拍，就上百bit。而换一个设计思路，在控制上多少逻辑，控制信号+计数器，多做几组也就拢共几十个bit的样子。比如前一级模块传过来的数据和valid信号，数据是要晚几拍才使用，应该做成前一级模块先给valid信号，数据晚几拍再来，避免数据打拍。在数据通路上出现一些组合逻辑路径并不长，打了一拍，这样虽然时序会更好，但是最后增加的面积来说并不值得，所以多余的寄存器打拍完全可以“干”掉。

重定时

Retiming就是重新调整时序，例如电路中遇到复杂的组合逻辑，延迟过大，电路时序不满足，这个时候采用流水线技术，在组合逻辑中插入寄存器加流水线，进行操作，面积换速度思想。

任何的数字电路都可以等效成组合逻辑加D触发器打拍，两个D触发器之间的组合逻辑路径决定了，系统的工作频率，决定芯片的性能。所以为了提高芯片的工作频率，使用流水线技术在组合逻辑中插入寄存器。

插入寄存器的位置需要慎重选择，不同的位置数据的打拍所消耗的寄存器的数量也不同，比方说你在位置a消耗25bit寄存器，位置b消耗20bit寄存器，能省则省。

前面插入寄存器的位置使得comb1的延迟为30ns，comb2的延迟为10ns，系统的最高工作频率是由最长路径决定的。也就是说你这个系统最高工作频率的周期，不小于30ns，前面是插入pipeline，这个时候我们不改变时序，采用重定时技术，使得各个组合逻辑之间的延迟相当。

疯狂复用

找计算逻辑相同的单元，复用最常见的就是计数器，能用一个计数器实现的，就别用俩，底层模块之间相同的逻辑尽量使用一块电路，减少重复的设计。基本逻辑单元的共享举例，面积：加法器 > 比较器 > 选择器。加比选。乘法器本质上也是全加器。所以就有先选后比，先选后加，先选后乘。画个图意思一下。

这里的加法器可以换成任何逻辑或模块。

乘法器分时复用度提高

在计算模块中乘法器也是非常大的一部分逻辑，一个设计要考虑PPA最优，就要考虑乘法器的数量多少以及复用能不能最大化，追求最好的设计是整个数据通路中乘法器空闲不下来。乘法器调用方法，一般是在乘法器的输入保证寄存器输入，结果输出到各个复用模块时打一拍再使用。可以做成在进行完乘法运算后，就打拍，这样消耗的寄存器会少很多。画个图意思一下(单bit)。

修改前

修改后修改完后的寄存器省了很多，但是乘法器的输出寄存器负载会变大，不过后端综合时约束了max_fan_out工具会自动插buffer和复制寄存器，经过实测还是会节省很多面积，把一些优化工作可以交给工具去做，了解它，信任它，使用它。

RAM的复用

从设计的整体来看，RAM也可以复用，前面处理用过的ram，现在空下来，后面能否用。

最后

总结一下ASIC单个模块的设计/优化思路，列出所有条件，然后归一，复用，面积与速度呼唤的思想贯穿始终。

审核编辑：汤梓红