מה זה Place & Route - ואיך ממצבים את השערים על השבב ומחברים ביניהם?

בפוסטים הקודמים הגענו עד לשלב שבו RTL תורגם ל-Netlist. ה-Netlist הוא רשימה גדולה של:

• שערים (AND / OR / NOT / FF…)
• חיבורים ביניהם
• מבנה לוגי מלא

אבל עדיין אין לנו שבב אמיתי. אין טרנזיסטורים, אין חוטים, אין מיקום פיזי.

כדי להפוך את העיצוב למציאות, נכנסים לשלב מרכזי ב-Backend:

Place & Route או בקיצור: P&R.

למה בכלל צריך Place & Route?

ב-Netlist כתוב מי מחובר למי. אבל הוא לא אומר:

• איפה כל שער ממוקם פיזית על השבב
• איך החוטים עוברים ביניהם
• איך נמנעים מהתנגשויות
• איך עומדים בתזמונים
• איך מצמצמים צריכת אנרגיה

בדיוק עבור זה נוצר תהליך ה-P&R.

אפשר לחשוב עליו כמו לבנות עיר:

• ה-Synthesis קבע אילו בניינים קיימים
• Place & Route קובע איפה כל בניין יעמוד
• ולאן יובילו הכבישים ביניהם

שלב 1: Placement - מיקום השערים על גבי השבב

יש מיליוני (ולפעמים מיליארדי) שערים, וצריך למקם אותם:

• בצורה יעילה
• כך שבלוקים קרובים יתקשרו מהר
• בלי ליצור צפיפות יתר
• בלי לבזבז שטח
• תוך עמידה בתנאי ביצועים

Placement הוא תהליך אוטומטי מאוד - אך גם מורכב מאוד.

בכל Iteration הכלי מזיז בלוקים קצת קדימה/אחורה ומחשב:

• האם התזמון השתפר?
• האם השטח מנוצל נכון?
• האם עומדים במטרה?

התהליך חוזר פעמים רבות עד שמגיעים ל-Placement אופטימלי.

שלב 2: Routing - משיכת “חוטים” אמיתיים

אחרי שיודעים איפה כל שער יעמוד, צריך לחבר אותם בחוטים:

• חיבורים אופקיים
• חיבורים אנכיים
• קווים ברמות שונות של מתכת
• רוחב, גובה וצפיפות שונים

Routing הוא כמו לצייר כבישים בין כל הבתים בעיר:

• בלי להתנגש
• בלי ליצור עומסים
• בלי לגרום לחוטים להיות ארוכים מדי (כי זה יפגע בתזמון)

Routing איכותי שומר על:

• מהירות החומרה
• יציבות האותות
• צריכת חשמל נמוכה

למה Place & Route הוא תהליך קשה כל כך?

כי יש מיליוני פרמטרים שצריך לאזן בו:

• שטח
• תזמון
• חום
• צפיפות
• מתח
• עמידה במגבלות ייצור
• מניעת הפרעות חשמליות (Noise, Crosstalk)

אם קו אחד יוצא קצת ארוך מדי - נתיב שלם עלול לא לפעול בזמן.

אם בלוק אחד ממוקם לא נכון - כל התזמון של השבב עלול להישבר.

מה התוצאה של Place & Route?

התוצר הסופי הוא:

Layout ציור פיזי ברזולוציית טרנזיסטורים.

הוא כולל:

• כל הטרנזיסטורים
• כל השערים
• כל שכבות המתכת
• כל החיבורים
• כל מבנה השבב ברמה הפיזית

זהו הקובץ שנשלח למפעל (FAB) לייצור.

במילים אחרות:

Place & Route הוא השלב שבו השבב הופך מציור - למפה אמיתית.

משל שיעשה סדר

חשבו על תכנון עיר:

Frontend = החלטנו שיהיו בתים, חנויות, בתי ספר.

Synthesis = החלטנו מאיזה חומרים לבנות כל דבר.

Place & Route = מיקמנו כל בניין במקום המדויק, וצייר את כל הכבישים.

עכשיו יש לנו מפה מלאה של העיר - מוכנה לבנייה אמיתית.

סיכום

Place & Route הוא:

• שלב Backend מרכזי, שבו:
  • ה-Netlist מקבל צורה פיזית
  • השערים מקבלים מיקום
  • החוטים מקבלים מסלול
  • נוצרת פריסת השבב המלאה
  • והמערכת מוכנה לשלב הסופי: ייצור

זהו השלב שבו השבב באמת “נולד”.

---

זו הסדרה “Chip Design Journey” - מסע מעמיק בעולם עיצוב השבבים. בהמשך נלמד על STA (Static Timing Analysis), Simulation, Tapeout, ועוד שלבים מרתקים עד לייצור בפועל.