Synopsys 逻辑综合之 MultiBit Flip-Flop 与 ICG
目录
一、普通寄存器（1-bit Flip-Flop）
二、Multi-Bit Flip-Flop 是什么？
所以 Multi-Bit FF 的做法就是：
三、为什么要用 Multi-Bit FF？
1. 降低功耗
2. 减小芯片面积
3. 布局优化更容易（Physical Aware）
四、在 Synopsys Design Compiler 中怎么支持？
1. 启用 Multi-Bit Flip-Flop 功能：
2. 与 ICG 协同优化：
3. 后端 ECO 友好性
五、一个现实案例：ICG + MultiBit
六、总结对比
最后总结一句
一、普通寄存器（1-bit Flip-Flop）
当我们在写 RTL 时，常常写这样的寄存器：
reg q;
always @(posedge clk) beginq <= d;
end
这就是一个1位寄存器（1-bit register），每次时钟上升沿，寄存器就把输入 d 存进来。
二、Multi-Bit Flip-Flop 是什么？
Multi-Bit FF 是指：把多个逻辑上独立、时钟/复位控制相同的 Flip-Flop，合并成一个物理宏单元（macro cell），例如：
| 原始结构 | Multi-Bit 合并后 |
|---|---|
| 8 个 1-bit DFF | 1 个 8-bit DFF |
示例：
在实际的 IC 设计中，我们很多时候会写多个寄存器，比如：
reg [7:0] data;
这个就是 8 位寄存器，DC 会默认用 8 个 1-bit 寄存器来实现它（每个位用一个 1-bit FF）。
但如果我们不优化，这就有 8 个寄存器分别接时钟，如下：
clk ──▶ FF0
clk ──▶ FF1
clk ──▶ FF2
... （共 8 个）
这样就会产生一些问题：
-
每个 FF 都吃掉时钟的一部分电能
-
功耗高
-
时钟线连接多，布线难
所以 Multi-Bit FF 的做法就是：
把这 8 个 1-bit FF 合成 1 个 8-bit FF， 只要一个时钟输入，结构就变成这样：
clk ──▶ [8-bit FF]
你理解成：“本来是 8 把锁，8 把钥匙，现在换成 1 把总锁，1 把钥匙。”
三、为什么要用 Multi-Bit FF？
1. 降低功耗
-
共享时钟引脚：原本 8 个 FF 各自切换 clk，现在只需一个时钟输入。
-
减少 Clock Capacitance：减少时钟树 fanout，降低动态功耗。
-
时钟功耗降低约 20%～40%（尤其在 Data Path 宽位宽场景）
2. 减小芯片面积
-
标准单比特 DFF 每个都带 D、Q、CLK、RST、SET、Scan 等引脚，面积浪费。
-
Multi-bit FF 共用控制信号，减少 wire congestion 和 Cell Area
3. 布局优化更容易（Physical Aware）
-
多比特 FF 是一个独立宏单元，在布局布线时减少拥塞和时钟 skew。
-
更好地满足时序和 CTS 要求。
四、在 Synopsys Design Compiler 中怎么支持？
1. 启用 Multi-Bit Flip-Flop 功能：
set_app_var enable_multibit_flop_combining true
可配合以下变量控制：
set_app_var multibit_flop_max_bit 8 ;# 控制最大合并位宽
set_app_var multibit_flop_cell_mapping {2:DFFQ2_X1 4:DFFQ4_X1 8:DFFQ8_X1}
你必须在 compile 前启用，DC 会尝试将满足条件的 FF 合并。
2. 与 ICG 协同优化：
set_clock_gating_style -sequential latch -control_point before
set_clock_gating_check -clock_gating_hold_check enable
DC 会先识别 clock enable，再自动插入 gating cell，然后做 Multi-Bit 合并。
如果你手动写 ICG cell（例如用 AND(clk, en)），那么 Multi-Bit 工具也会自动识别 gated clk 的 sink 并进行多比特合并。
3. 后端 ECO 友好性
Multi-Bit Flip-Flop 会改变 netlist 结构，所以在 ECO 场景下你可能需要：
-
开启 scan chain 支持
-
限制最大合并数目，方便后续替换
五、一个现实案例：ICG + MultiBit
假设现在有如下 RTL：
reg [15:0] data;
always @(posedge clk)if (en)data <= din;
设计目标：低功耗。
DC 综合流程如下：
-
识别 en 为 clock gating 控制，插入 ICG cell：
clk_gated = clk & en; -
16 个 data bit 会生成 16 个 DFF
-
识别 clk_gated → 16 个 FF，满足条件
-
合并为 1 个 16-bit DFF，由 1 个 gated clk 驱动
结果：
-
原本 16 个 FF、16 个 clk sink → 1 个 ICG + 1 个 multi-bit FF
-
时钟功耗下降、面积减小、后端布局更清爽
六、总结对比
| 项目 | Multi-Bit FF | ICG Cell |
|---|---|---|
| 优化对象 | 寄存器数量和结构 | 时钟开关控制 |
| 是否改变 FF 数量 | 是（多个合成一个） | 否 |
| 功耗优化点 | 减少时钟输入切换和 wire congestion | 阻止不必要的 clock toggling |
| 在 DC 的处理点 | compile_ultra 后自动识别 | compile 中 clock gating 优化 |
| 是否可以同时使用 | ✅ | ✅ |
| 是否影响 STA | 会改变时钟 fanout，需重新分析 | 需要处理 gating 时序 arc |
在实际低功耗设计中，经常先插入 ICG，再将受控的多个单比特 FF 合并为 Multi-Bit。
最后总结一句
ICG 是关闭“不该切换”的时钟，Multi-Bit FF 是减少“必须切换”的时钟消耗。
两者协同，是现代低功耗设计中不可或缺的黄金搭档！