低功耗设计之Multi-Bit Cell

从Cadence user guide可以查阅到如下描述：Multi-bit flip-flop (MBFF) flow provides power optimization benefits with a minimum impact on timing. This flow is called as a part of the preCTS optimization stage.

所谓multi-bit cell，可以理解成把多个完全相同的cell合并在一个cell里，如下图所示，集成2bit的multi-bit cell的clock inverter是共享的，那么可以节省2个clock inverter的面积、功耗。同时由于flip-flop数量减少，时钟互联线也减少，即减少了clock net length、capacitance、clock inverter更利于总功耗的降低。

有一点非常重要，MBFF对SBFF的合并使用目的是降低功耗，但是前提是保证timing，若timing不满足，MBFF是应该被要求拆分成SBFF，SBFF更方便resize、move等操作。

芯片功耗很大一部分在时钟树上，通过multi-bit cell技术我们可以获得如下图所示的功耗改观：

此外，通常scan DFF由于带了scan mux电路，其面积会更大，而Multi-bit flip-flop (MBFF)合并单bit寄存器后，可以更明显降低面积，以scan DFF为例，single bit 和multi bit的逻辑关系一般如下：

在晶体管级别的版图设计过程中，会采用优化晶体管连接，晶体管共用等手段来节约面积，因此multi-bit cell比同等bit数目的single-bit cell的版图面积总和要小一些。假设一个1-bit DFF的面积为  ，那么一个2-bit DFF的面积一般会比  小一些，4-bit DFF的面积会比  小更多。在Cadence INNOVUS中可以用如下命令查看MBFF信息：

• reportMultiBitFFs -all

• reportMultiBitFFs -statistics

• reportMultiBitFFs -cell MB2SDFCNQOPPSBD1BWP24P90ELVT

MBFF结构在功耗上带来的好处主要体现在以下几个方面，整体而言，就是减少了clock net length、capacitance、clock inverter。

1）clock pin capacitance减少从而降低clock switching power

由下图可知，虽然2bit MBFF较1bit flip-flop的clock pin cap改观不大，但当design中有大量multi-bit DFF来替代single-bit DFF时，DFF数量大量降低，芯片时钟树上整体pin cap的下降是非常明显的。cap越小switching power也越小，动态功耗降低。

2）时钟树buffer数量减少，降低switching和leakage power

由于multi-bit DFF中每个DFF的clock pin cap相对于single-bit DFF有一些减小，那么在multi-bit design中一个相同的buffer可以驱动更多的MDFF，当然最主要还是DFF数量的减少，从而显著减少时钟树上的buffer数量和面积，进一步降低时钟树上的功耗。

3）时钟树绕线资源减少，时钟树寄生RC从而降低dynamic power

MBFF大量使用时，相对于single-bit design来说，芯片standard cell数量大幅下降，而且在很多时候DFF的摆放也可能会更加集中，时钟树绕线将节省大量走线资源，进而减少整个时钟网络的寄生RC。下图展示了single-bit DFF与multi-bit DFF的绕线差异，可以看出右侧的MBFF绕线明显更少，时钟整体的寄生RC得到减少，从而降低功耗。

尽管multi-bit有以上诸多优点，但是在实际应用中并不总能得到最好的结果。其主要原因在于以下几个方面：a) single-bit到multi-bit的转化有诸多条件限制，很多时候design实际的multi-bit cell比率不高。b) multi-bit cell摆放不合理可能会引起congestion问题、timing问题，反而会增加更多的组合逻辑的power从而抵消clock tree上带来的功耗降低的效果。比如，2bit single-bit DFF本来被place在不同位置，若合同为2bit的multi-bit DFF后，routing连线可能反而更长，增加了路径延迟，工具会采用buffering、sizing的优化方式优化时序，若依然不能满足timing，那么multi-bit cell不如拆分成single-bit cell，因为single-bit cell可以更方便resize、move。c) IR/EM方面的考虑可能会故意让multi-bit cell互相摆放的远一些，从而无法达到减少clock net length寄生RC从而降低功耗的效果。