一種針對多層芯片的高效x結構避障布線器的構造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于集成電路計算機輔助設計技術領域，具體涉及一種針對多層芯片的高 效X結構避障布線器構造問題。
【背景技術】
[0002] 斯坦納最小樹是圖論領域最重要的數學模型之一，且被廣泛的應用到了許多 研究領域。特別是1966年由Hanna提出的直角結構斯坦納樹（rectilinear Steiner minimal tree, RSMT)，已經被廣泛的應用到現代超大規模集成電路（very large scale integrat ion，VLSI)設計的多個階段。例如，在早期設計階段，包括劃分、布圖規劃和布局， RSMT可以被用來有效的預估芯片的多項性能指標，如線長，擁塞，和時延。在總體布線和詳 細布線階段，RSMT可以被用來構造每一個線網的最終連通拓撲。此外，隨著現代芯片密度 的急劇增加，在當今的VLSI設計中存在著越來越多的障礙物，例如宏模塊和預布線網，這 些障礙物在布線階段是不能夠被穿越的，因此避障直角斯坦納最小樹（obstacle-avoiding rectilinear Steiner minimal tree, 0ARSMT)布線器構建問題在過去十幾年得到了充分 重視，并取得了非常出色的研究成果。
[0003] 另一方面，隨著VLSI生產工藝的不斷進步，現代芯片可以提供多個布線層 以增加設計靈活性。因此，在2007年，多層避障直角斯坦納最小樹（multi-layer obstacle-avoiding rectilinear Steiner minimal tree, ML-0ARSMT)布線器構造問題首 次由臺灣大學電子工程研究院提出，并很快得到了工業界和學術界的重視。隨后，多家科研 單位先后設計了數個性能優良的ML-0ARSMT布線器。
[0004] 然而，上述布線器，無論是針對傳統單層布線和現代多層布線，都是基于直角結 構。隨著當前芯片規模進入深亞微米階段，由于直角結構將走線方向限制為只能水平和垂 直兩個方向，而這已經很難滿足當前的設計需求。幸運的是，新興的非直角結構允許更多的 走線方向并能進一步提高芯片的可布通性。特別的，X結構作為最有前景的非直角結構已 經被當前生產工藝充分支持，并成為近年來的一個研究熱點。數家研究機構已先后設計出 了多個不同的避障X結構斯坦納最小樹布線器（obstalce-avoiding X Steiner minimal tree, OAXSMT)〇
[0005] 問題是，當同時考慮多層芯片結構、障礙物、X結構三個因素，即多層避障X結構 其if坦納樹（multi-layer obstacle-avoiding X-architecture Steiner minimal tree, ML-0AXSMT)布線器的構造，問題將變得非常困難。因為，僅僅一個單層的RSMT布線器構 造就已經被證明為NP完全問題。據我們所知，當前有關ML-0AXSMT布線器構造的成果非常 少，而工業設計的需求卻仍在不斷提高，因此設計一種高效的ML-0AXSMT布線器變得尤為 緊迫。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是提供一種在VLSI總體布線設計問題中考慮多層芯片結構和障礙 物，同時引入X結構斯坦納最小樹的布線器構造問題。以優化布線樹總長為目標，進而使得 諸如時延、擁塞等多項指標得到優化。該方法從總體布線的全局角度考慮ML-OAXSMT的構 造，能夠在極短的時間內獲得有效的解決方案。
[0007] 本發明采用以下方案實現：一種針對多層芯片的高效X結構避障布線器的構造 方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟Sl :根據給定的一組引腳坐標位置，基于一種快 速的多分片MST(最小生成樹，minimum spanning tree),構建策略生成一棵連接所有引 腳的 3D-0FMST (三維無障最小生成樹，3D obstacle-free minimal spanning tree)，該 3D-0FMST 為最終 ML-0AXSMT (多層避障 X 結構斯坦納樹，multi-layer obstacle-avoiding X-architecture Steiner minimal tree)的基礎架構；步驟 S2 :3D_0FMST 中所有邊 的XRP(X布線路徑，X routing path)信息被計算，并將這些信息存入兩個記錄從而生 成兩個查找表，這兩個查找表可以為布線器的后續運作提供信息支持；步驟S3 :基于快 速查表，通過將3D-0FMST的每條邊轉化為一條XRP生成一棵ML-XST (多層X結構斯坦 納樹，multi-layer X-architecture Steiner tree)，并將該 ML-XST 將被轉化為一棵 ML-0AXST (多層避障 X 結構斯坦納樹，multi-layer obstacle-avoiding X-architecture Steiner tree);步驟S4:對ML-OAXST進一步從全局和局部兩個角度優化，從而生成最終 的 ML-0AXSMT 〇
[0008] 與現有技術相比本發明具有以下優點：該布線器采用了一種基于快速查找表的基 本構架，整個布線器邏輯緊湊，運行效率高；在3D-0FMST構建階段，一種基于密度度量的多 分片MST構建策略被采用，同傳統基于完全圖的MST構建方法相比，該策略具有更高的效 率；在ML-OAXST生成階段，該布線器根據ML-XST每條穿障邊的具體特征，將所有ML-XST穿 障邊分為三類，并采用了三種不同的策略進行避障路徑計算，這些策略可以精確地捕捉到 多層空間中恰當的偽Steiner點位置，從而幫助ML-XST邊生成最佳的避障X布線路徑；特 別的，針對任意兩個分布在不同布線層的引腳，一種針對多層空間通孔定位的線掃描策略 被用來精確地搜索引腳之間的合法通孔；此外，為了進一步優化壓縮布線總長，該布線器采 用了兩種有效的精煉策略，一種通過優化偽Steiner點連接結構以達到充分利用有效布線 資源的目的，另一種則是通過充分增加布線樹共享路徑總長，從而達到壓縮線長的目的。
【附圖說明】
[0009] 圖1是針對多層芯片的高效X結構避障布線器的流程圖。
[0010] 圖2是多層結構下四種XRP圖。
[0011] 圖3是ML-XST穿障邊的分類圖。
[0012] 圖4是單個引腳的八角劃分示意圖及ML-XST邊轉換示意圖。
[0013] 圖5是可修復路徑的避障路徑計算示例圖。
[0014] 圖6是逃逸路徑的避障路徑計算示例圖及通孔定位線掃描策略示意圖。
[0015] 圖7是非逃逸路徑的避障路徑計算示例圖。
[0016] 圖8是偽Steiner點連接優化示意圖。
[0017] 圖9是ML-OAXST結構優化示意圖。
[0018] 實施方式 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步說明。
[0019] 一種針對多層芯片的高效X結構避障布線器的構造方法，包括以下步驟： 步驟Sl :根據給定的一組引腳坐標位置，基于一種快速的多分片MST構建策略生成一 棵連接所有引腳的3D-0FMST，該3D-0FMST為最終ML-0AXSMT的基礎架構； 步驟S2 :3D-0FMST中所有邊的XRP信息被計算，并將這些信息存入兩個記錄從而生成 兩個查找表，這兩個查找表可以為布線器的后續運作提供信息支持； 步驟S3 :基于快速查表，通過將3D-0FMST的每條邊轉化為一條XRP生成一棵ML-XST， 并將該ML-XST將被轉化為一棵ML-OAXST ; 步驟S4 :對ML-OAXST進一步從全局和局部兩個角度優化，從而生成最終的ML-0AXSMT。
[0020] 本發明的主要流程圖參見圖1。
[0021] 其中，步驟Sl中3D-0FMST的生成包括以下具體步驟：基于多層芯片給定的所有引 腳位置，構建一棵k-d樹，該k-d樹被用來預估任一引腳的近似密度值，同時可提供快速的 最近鄰引腳查找；基于Prim算法思想，并根據每個引腳的初始預估密度，從當前密度最小 的引腳開始，一個MST分片被構建直到該分片達到了局部密度最大值，此時另一個MST分片 亦從當前密度最小的引腳開始被構建，直到所有的引腳被這些MST分片所覆蓋；最后，通過 連接這些生成的MST分片，一棵完整的3D-0FMST將被生成。
[0022] 步驟S2還包括以下具體步驟：假設給定芯片包含η個引腳，則生成的3D-0FMST - 共包含η-1條邊，由于每條邊可以有4種不同的XRP，因此一共存在4* (η-1)條XRP，針對 所有這些XRP，生成兩個查找表，第一個查找表為多層XRP-障礙物查找表MLX0T，另一個表 為多層XRP-坐標查找表MLXCT ;假設兩個引腳ft (X, % 4和b4間的一條XRP， 記該路徑為/y?/，將這條XRP穿越的障礙物記錄到一個集合ΙΛ>}中，即生成MLXOT的記 錄，并且當^^ &時，設置參數的值為U7J的基數，而當2,=?時，設置的值為 IAj中所有障礙物的直角邊界盒的半周長；考慮到每一條XRP包含三條子路徑，對于任一 路徑ft/?/，記三條子路徑分別為ftsw, SwSfcs SiilOy,其中6^和s 兩個偽Steiner點，通過 生成所有4* (η-1)條XRP的三條子路徑的坐標信息，從而生成多層XRP-坐標查找表MLXCT 的記錄。
[0023] 步驟S3中還包括以下具體步驟：依次檢查3D-0FMST中的每一條邊，并基于以下原 則將每條邊轉化為一條XRP : 1) 對于任意一條邊，如果XpatM和X pathl都能繞過所有障礙物，則二者具有相同的優先 度，如果\_和X Path3都能繞過所有障礙物，則二者具有相同的優先度； 2) 如果兩者之間均存在繞障路徑，對于任意一條邊，Xpath。和X pathl的優先度高于X path2和 Xpat