本文作者：AMD 工程師 Vanaja Undevalli

概述

高扇出信號線 (HFN) 是具有大量負載的信號線。作為用戶，您可能遇到過高扇出信號線相關問題，因為將所有負載都連接到 HFN 的驅動程序需要使用大量布線資源，并有可能導致布線擁塞。鑒于負載分散，導致進一步增大信號線延遲，因此在高扇出信號線上也可能難以滿足時序。

圖 1：違例達 0.978 ns 的時序路徑

通過觀察數據路徑即可發(fā)現，高扇出信號線 Net A 是由 LUT 驅動，它造成了 2.418 ns 延遲。優(yōu)化此高扇出信號線有助于解決此時序路徑問題。

如何查詢高扇出信號線

您可使用 report_high_fanout_nets 命令來識別設計中的非時鐘高扇出信號線。此命令有多個選項可用于打印有關高扇出信號線的詳細信息，包括驅動程序信息、時序信息 (-timing) 和負載位置信息 (-slr)。如需獲取這些選項的完整列表，請參閱 UG906：

https://docs.amd.com/r/zh-CN/ug906-vivado-design-analysis

如果您的設計中具有導致 QoR 問題的高扇出信號線，那么強烈建議您在實現的中間步驟轉儲該報告。

圖 2：“report_high_fanout_nets -histogram”的結果

圖 3：“report_high_fanout_nets –timing”的結果

查詢高扇出信號線的另一種方法是采用以下表達式：

set fanout [expr {[get_property FLAT_PIN_COUNT [get_nets $Net_A] -1 }]

如何在不同實現階段應對高扇出信號線

圖 4：此圖呈現了在實現的不同部分中影響高扇出信號線優(yōu)化的命令選項和屬性。

DON'T_TOUCH 屬性、KEEP HIERARCHY 屬性和 MARK_DEBUG 屬性會阻止執(zhí)行任何 HFN 優(yōu)化。其他屬性包括 MAX_FANOUT、CLOCK_BUFFER_TYPE 和 MAX_FANOUT_MODE，這些屬性全都會影響 HFN 優(yōu)化。

綜合

MAX_FANOUT

在綜合期間，您可使用 MAX_FANOUT 屬性來強制復制寄存器。該屬性用于控制發(fā)生寄存器復制的時機。如果某條信號線的扇出大于 MAX_FANOUT 值，就會考慮對該寄存器進行復制。請注意，無論時序如何，都會應用該屬性，因此務必謹慎使用，過量使用會因過度復制而導致更多問題(當 HFN 位于寄存器控制信號上時尤其如此)。建議在綜合期間慎用該屬性。

set_property MAX_FANOUT [get_nets -hier ]

建議不要在驅動程序與負載之間設置額外的組合邏輯，否則會妨礙某些復制優(yōu)化操作。

有些屬性可能會阻礙執(zhí)行此類有益的復制操作，其中包括：

DONT_TOUCH：阻止在設計元素上發(fā)生任何修改或復制

KEEP_HIERARCHY：指示工具在復制期間保留層級(如果 HFN 驅動程序及其負載位于同一模塊內，則會阻止復制)

MARK_DEBUG：禁止呈現某條信號線以供調試

如需了解有關這些屬性的更多詳情，請參閱 UG901：

https://docs.amd.com/r/en-US/ug901-vivado-synthesis/KEEP_HIERARCHY

以下是一個簡單的示例。如果該信號線的 MAX_FANOUT 屬性設為 3，則該信號線的驅動程序必須復制 2 次，如下所示：

圖 5：通過復制源寄存器來減少扇出的簡單示例。

同樣，如果有個源，其中有 10,000 負載分布在整個設計中，并且您通過將 MAX_FANOUT 設為 1,000 來限制扇出，那么，該工具會將該源復制 10 次，然后為復制的每個源分配 1,000 負載。

邏輯優(yōu)化

在邏輯優(yōu)化 (opt_design) 期間，有多種間接的方式可用于控制高扇出信號線。以下部分選項可能有用：

BUFG 插入

默認在邏輯優(yōu)化中，會在滿足某些要求的高扇出控制信號線上插入 BUFG 或 BUFG_FABRIC 時鐘緩沖器(在 Versal 架構中)。這是很有效的，因為全局時鐘布線資源可以減少互連結構布線上的擁塞，從而幫助緩解時序問題。

非時鐘信號線的扇出必須大于 25k 才符合此條件。 使用 BUFG 插入時，該工具較為保守，對于 Ultrascale+/Versal，限制是 24 個 BUFG(此限制不包括 BUFG_GT)

用戶指定的 BUFG 插入

如果信號線沒有插入 BUFG，您可以通過 CLOCK_BUFFER_TYPE 屬性強制執(zhí)行 BUFG 插入。該工具會為任何指定的信號線添加 BUFG/BUFG_FABRIC，并且不會將其計入先前提及的限值 24，前提是有走線可用。

BUFG 負載拆分

在某些情況下，插入 BUFG 的過程中會拆分時鐘網絡，使其分別驅動組合負載與時序負載。發(fā)生拆分時，時序負載由 BUFG 驅動，組合負載則由原始驅動程序來驅動。針對 opt_design 插入的 BUFG 和用戶插入的 BUFG 都會發(fā)生此拆分操作。當 BUFG 輸出信號線驅動組合負載與非時鐘時序負載(例如，高扇出復位)時，預計會發(fā)生負載拆分。

層級復制

用戶還可通過該工具使用 -hier_fanout_limit 選項根據高扇出信號線的邏輯層級來復制該信號線的驅動程序。該工具會在層級內查找，如果發(fā)現驅動程序所驅動的負載超出指定限值，那么該工具就會復制驅動程序。

這有助于緩解高扇出信號線所導致的擁塞。這是一種基于規(guī)則的復制，無法感知時序，因此建議謹慎使用。

注釋：為 -hier_fanout_limit 選項指定的最小限值為 512。

圖 6：扇出為 60,000 的信號線

當 -hier_fanout_limit 設為 1000 時，HFN 驅動程序會復制 59 次，每次復制的驅動程序都會驅動 1000 個負載。

您可使用以下命令實現此目的：

opt_design -hier_fanout_limit 1000

了解對某個設計要素進行了哪些優(yōu)化是很有幫助的。OPT_MODIFIED 屬性會明示對設計要素執(zhí)行了哪些優(yōu)化(按優(yōu)化的執(zhí)行順序)。同樣，OPT_SKIPPED 會顯示設計要素上跳過了哪些優(yōu)化。在某些情況下，DONT_TOUCH 或類似屬性可能阻止優(yōu)化。建議搜索日志，查找有關跳過某一項優(yōu)化的具體原因的更多信息。與前述屬性類似，PHYS_OPT_MODIFIED 與 PHYS_OPT_SKIPPED 是用于物理優(yōu)化的等效屬性。

圖 7：含 opt_design 選項與對應 OPT_MODIFIED 值的表

如果您在 opt_design 中遇到因使用 hier_fanout_limit 選項而導致復制的驅動程序，那么您會發(fā)現 OPT_MODIFIED 屬性與 HIER_FANOUT_LIMIT 相等。