一、分区设计概述与核心方法论

层次化分区的本质：将超大规模芯片分解为可独立处理的子模块，实现 “分而治之” 的设计哲学，适用于 SoC、多 IP 集成等复杂场景。

1. 自顶向下（Top-down）方法论

流程特点：从芯片级规划出发，逐步细化到模块实现，适合系统级设计。

芯片规划（Chip Planning）：

定义芯片边界、电源网络、I/O 分布及关键模块位置；通过createChipPlan命令设置核心参数： tcl

createChipPlan -coreArea 1000x800 -ioRingWidth 50 -powerGrid METAL4,METAL7

模块实现（Implementation）：

按功能划分分区（如 CPU、GPU、Memory），独立完成布局布线；启用-hierarchical模式加速并行处理： tcl

placeDesign -partitions {CPU_PART MEM_PART} -parallel 4

芯片组装（Chip Assembly）：

合并各分区结果，优化跨分区连接，验证全局时序与 DRC。

2. 自底向上（Bottom-up）方法论

流程特点：从 IP 模块出发，逐步集成到顶层，适合 IP 复用场景。

IP 实现（Implementation）：

独立优化各 IP 模块，生成黑盒（Blackbox）模型；提取 IP 时序与寄生参数模型： tcl

extractBlackboxModel -ip MEM_IP -output mem_model.lib

系统集成（Chip Assembly）：

在顶层实例化 IP 黑盒，通过时序预算分配跨模块约束；使用connectBlackboxPins命令映射 IP 接口： tcl

connectBlackboxPins -top top_inst -ip mem_inst -pins {CLK GND VDD}

二、分区与黑盒的核心操作

1. 定义分区（Defining Partitions）

硬分区（Hard Partition）：严格物理边界，禁止单元 / 布线超出： tcl

definePartition -name CPU_CORE \

-type hard \

-x1 100 -y1 200 -x2 800 -y2 600 \

-includeCells {CPU_INST[0-31]}

软分区（Soft Partition）：逻辑分组，允许灵活调整： tcl

definePartition -name MEM_ARRAY \

-type soft \

-includeNets {MEM_DATA* MEM_ADDR*}

2. 黑盒（Blackbox）设计流程

创建黑盒： tcl

createBlackbox -name PCIE_IP \

-cell pcie_inst \

-pinList {CLK_RX CLK_TX DATA[0-127]} \

-lock true # 锁定黑盒内部，禁止修改

非 R0 方向黑盒处理： tcl

# 手动映射旋转后引脚位置

createBlackbox -name IO_PAD -orientation R90 \

-pinMapping {GND(50,50) VDD(100,50) DATA(75,75)}

黑盒模型保存与复用： tcl

saveBlackbox -name PCIE_IP \

-file pcie_bbx.db \

-includeTiming true -includeParasitics true

三、嵌套分区（Nested Partitions）实战

场景：多层级层次化设计（如 SoC→子系统→模块）。

定义嵌套分区： tcl

# 顶层分区包含子分区

definePartition -name SOC_TOP \

-includePartitions {CPU_PART IO_PART} \

-type hard -x1 0 -y1 0 -x2 2000 -y2 1500

# 子分区定义

definePartition -name CPU_PART \

-type hard -x1 200 -y1 300 -x2 1200 -y2 1200

跨嵌套分区引脚分配： tcl

# 为嵌套分区分配引脚

assignPartitionPins -partition SOC_TOP \

-pins {CPU_CLK IO_RESET} \

-direction in -constraint "near CPU_PART"

# 验证引脚合法性

checkPartitionPins -nested true -fixViolations true

四、引脚分配（Pin Assignment）高级技巧

1. 引脚约束与优化

引脚间距与层限制： tcl

# 设置引脚最小间距与图层

setPinConstraint -minSpacing 2um -layers {METAL2 METAL3} \

-pins {CLK_PIN RESET_PIN}

# 定义引脚阻挡区域（避免布线冲突）

addPinBlockage -pin DATA[0] -rect 50 50 100 100

拥塞感知引脚分配： tcl

# 基于拥塞地图优化引脚位置

assignIoPins -congestionAware true \

-maxIterations 5 -improvementThreshold 10%

2. 馈通（Feedthrough）插入策略

路由馈通插入： tcl

# 自动插入馈通缓冲器

insertFeedthroughBuffers -nets {CLK_NET DATA_BUS[*]} \

-topologyFile feedthrough.tcl -bufferCell INV_X2

# 拓扑文件示例（feedthrough.tcl）

setFeedthroughTopology -net CLK_NET \

-bufferStages 3 -spacing 50um -layer METAL5

馈通连接验证： tcl

# 生成馈通连接报告

reportFeedthroughConnection -nets {CLK_NET} \

-detailLevel full -output feedthrough_report.txt

五、层次化分区的关键挑战与解决方案

挑战原因解决方案跨分区时序收敛困难路径延迟不确定性大1. 严格时序预算分配； 2. 启用 ART 层次化优化：artOptimization -hierarchical分区边界拥塞跨分区信号集中布线1. 预留分区间布线通道； 2. 使用addRouteGuide定义专属路径嵌套分区引脚冲突多层级约束传递不一致1. 分层验证引脚合法性； 2. 使用commitNestedPartitions固化中间结果黑盒模型精度不足时序 / 寄生参数提取不完整1. 启用-includeAllPaths提取全路径模型； 2. 结合 SPICE 仿真验证关键路径

六、总结：层次化分区的实施框架

层次化分区通过 “规划 - 分解 - 实现 - 集成” 的闭环流程，解决了超大规模芯片设计的复杂度问题。在先进工艺（如 5nm）中，合理的分区策略需结合以下要点：

方法论选择：自顶向下适合全新设计，自底向上适合 IP 复用；工具链协同：利用 Innovus 的definePartition、createBlackbox等命令实现精准分区；验证闭环：通过时序预算、馈通插入、嵌套分区管理等手段确保全局设计收敛。

通过层次化分区，设计团队可将千万门级设计分解为并行可处理的子模块，显著提升大型芯片的实现效率与质量。