IC后端物理实现自动化工具 OpenROAD系列（三）ibex-32位2级流水线 RISC-V CPU 的物理实现

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这篇博客将介绍如何使用 OpenROAD和 Skywater 130nm hd 工艺实现一个32位2级流水线 RISCV CPU (RV32IMC/EMC)
开发环境是 OpenROAD-flow-scripts(ORFS):

上图所示是我所使用的版本。

一、配置文件查看

1.1 PDK 配置

打开 OpenROAD-flow-scripts/flow 目录：

1. 首先需要配置 platforms，目前我的理解就是指的 PDK：
   
   此次所使用的是 sky130hd:
   
   配置文件是 config.mk:
   
   在此文件中定义了使用 skywater 130 PDK 所需的所有变量。例如 Tech file 、Libs的路径；一些标准单元的路径；布线垂直方向与竖直方向所用的金属层等。

1.2 设计配置

进入 OpenROAD-flow-scripts/flow/designs/sky130hd/ibex 路径：

打开 config.mk:

会设置如下所示的变量：

变量名	描述
PLATFORM	用于指定 PDK（Process design kit）
DESIGN_NAME	设计顶层模块名
VERILOG_FILES	设计的Verilog 网表文件路径
SDC_FILE	设计时序约束文件 .sdc 的路径
CORE_UTILIZATION	核利用率百分比
PLACE_DENSITY	所期望的单元放置密度。 它反映了单元在核心区域的分布情况。 1 = 非常密集。 0 = 广泛传播

由此可知 ibex 源码所在路径为 OpenROAD-flow-scripts/flow/designs/src/ibex：

这也就意味着 ORFS 的 RTL-to-GDS Flow的输入，就是设计的RTL代码（Verilog），ORFS自带了开源综合工具 Yosys 去对设计进行综合。
再看一看 sdc 时序约束文件，在 OpenROAD-flow-scripts/flow/designs/sky130hd/ibex/contraint.sdc

对时钟信号进行设置，周期设置为 17.4 ns，即 57.47 MHZ左右。

二、运行 RTL-to-GDS Flow

2.1 运行

ORFS 使用 tcl 脚本实现完全自动化的 RTL-to-GDS Flow，输入为设计的 Verilog 网表文件（未综合），输出为GDS 版图文件。
各阶段所使用的工具为：

1. Synthesis - Yosys.
2. Floorplanning - Initialize Floorplan.
3. Global Placement - RePlAce.
4. Clock Tree Synthesis - TrintonCTS 2.0.
5. Detailed Placement - OpenDP.
6. Global Route - Fast Route.
7. Antenna Rule Checker - Antenna Rule Checker.
8. Timing Optimization using Resizer - Gate Resizer.
9. Detail Routing - TritonRoute.
10. Layout Generation - KLayout (Requires v0.27.1).

现在运行 flow，进入对应的目录，执行脚本。

cd OpenROAD-flow-scripts/flow
make DESIGN_CONFIG=./designs/sky130hd/ibex/config.mk

我一开始执行报错了，经过检查发现是 由于 ubuntu shell 默认使用的是 dash，而非 bash所导致的。
解决方法：
打开 OpenROAD-flow-scripts/flow/Makefile
原来：

将102行修改为下图所示即可：

重新执行：

make DESIGN_CONFIG=./designs/sky130hd/ibex/config.mk

我计时了一下，在我的机器（i7-8750H，16GB）上的运行时间为近27分钟。（是时候换台配置好点的笔记本了，否则科研举步维艰啊，太难了）

2.2 结果查看

生成了四个文件夹。
其中运行结果都保存在 OpenROAD-flow-scripts/flow/results/sky130hd/ibex/base 文件夹下：

从综合后的.v文件到最终的 GDS文件都有。

OpenROAD-flow-scripts/flow/reports/sky130hd/ibex/base

此路径下保存了DRC报告，设计的一些统计数据，综合检查报告等。

2.3 查看 PPA

在 /home/jccao/Fudan_FPGA/OpenROAD-flow-scripts/flow 路径下：
先将 Makefile 第 80行默认设计配置给注释：

再将第 54 行给取消注释：

完成后，在该目录打开终端，输入下述命令：

make gui_final

打开图形化界面：

1. Area
   查看面积的话，就在TCL commands窗口输入下述命令即可：

report_design_area

2. Timing
同样在 TCL commands窗口依次输入下述命令：

report_worst_slack
report_tns
report_wns

3. Power

report_power

三、总结

至此从RTL to GDS Flow 就完成了，看起来是输入一条命令的事情，实际上需要做的工作有很多，每个阶段也都可以进行一些优化，可以通过此开源工具来对 IC 设计的后端流程进行深入学习。
最后祝大家虎年大吉！新年快乐！