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TritonRoute-WXL：集成DRC引擎的开源布线工具

1. 研究作者、机构及发表信息

本文由Andrew B. Kahng（IEEE Fellow，加州大学圣地亚哥分校计算机科学与工程系、电气与计算机工程系）、Lutong Wang（IEEE学生会员，Cadence Design Systems）和Bangqi Xu（IEEE学生会员，加州大学圣地亚哥分校电气与计算机工程系）合作完成，发表于IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems期刊，文章编号DOI 10.1109/TCAD.2021.3079268，收录于2021年。

2. 学术背景与研究目标

科学领域：该研究属于集成电路（IC）物理设计自动化（EDA）领域，聚焦于高级技术节点（如16nm以下）的布线（routing）问题。

研究背景：
- 现代IC设计中，布线是关键阶段，但传统方法将全局布线（global routing, GR）和详细布线（detailed routing, DR）分离，导致两者资源模型不匹配，难以解决局部线网（local nets）和引脚可访问性（pin access）等问题。
- 先进技术节点的设计规则（design rules）日益复杂，传统布线工具在工业级设计中常遗留大量设计规则违例（DRC violations），而学术界现有工具在ISPD竞赛测试用例中仍存在数百至数千个DRC违例。
- 开源布线工具匮乏，尤其是支持先进节点的DRC清洁（DRC-clean）解决方案。

研究目标：
开发TritonRoute-WXL——一款开源全局-详细布线工具，通过以下创新解决上述问题：
1. 端到端布线框架：紧密关联GR与DR，提升布线收敛速度。
2. 集成DRC引擎：支持增量式设计规则检查，优化布线过程。
3. 改进的详细布线方法：基于队列的拆解重布（ripup-and-reroute）策略，加速DRC收敛。

3. 研究流程与方法

3.1 全局布线（Global Routing）

流程：
1. 路由资源建模：
- 提出基于全局布线单元（gcell）的统一资源模型，综合考虑布线轨道（routing tracks）、设计规则和引脚可访问性。
- 动态调整供给（supply）与需求（demand）：例如，考虑通孔（via）宽包围层对轨道占用的影响。
2. 初始全局布线：
- 使用FLUTE算法生成低线长Steiner树，并通过L形模式布线（L-shape pattern routing）缓解拥塞。
3. 2D/3D拆解重布：
- 分区并行处理（200×200 gcell区域），采用A*搜索算法优化路径，成本函数综合线长、拥塞、历史和阻塞成本。
4. 层分配（Layer Assignment）：
- 基于动态规划的简化层分配方法，按线网灵活性评分排序优化。

3.2 几何设计规则检查引擎（DRC Engine）

创新点：
- 数据模型：将版图形状抽象为多边形边（polygon edge）、角（corner）和最大矩形（max rectangle），支持高效区域查询（R-tree实现）。
- 规则检查算法：
- 金属间距规则：包括短路（short）、非充分金属重叠（non-sufficient-metal overlap）和并行长度相关间距（PRL spacing）。
- 形状规则：最小宽度（minimum width）和最小步长（minimum step）。
- 端线间距（EOL spacing）和切孔间距（cut spacing）等复杂规则。
- 增量检查能力：支持单线网修改后的局部DRC检查（gc(net)），显著提升优化效率。

3.3 改进的详细布线流程

关键方法：
- 队列式拆解重布：
- 将传统批处理模式改为FIFO队列驱动，每次处理一个线网，动态标记“侵略者”（aggressor）和“受害者”（victim）线网。
- 通过增量DRC检查避免冗余迭代，实验显示平均减少33.5%运行时。
- 多线程加速：支持OpenMP并行化，8线程下平均加速5.35倍。

4. 主要实验结果

4.1 DRC收敛性

• ISPD 2018/2019基准测试：20个测试用例中，15个实现DRC清洁（#DRC=0），其余用例DRC≤20，优于所有已知学术布线工具（如TritonRoute和DR.CU 2.0）。
  
• 队列策略有效性：对比传统方法，队列式拆解重布使DRC收敛速度提升85.4%。
  

4.2 工业级验证

• 14nm RISC-V核布线：在商用14nm库中成功实现DRC清洁布线，验证工具在先进节点的实用性。
  

5. 研究结论与价值

科学价值：
1. 端到端布线框架：首次在开源工具中实现GR与DR的高效协同，填补学术界与工业界的鸿沟。
2. DRC引擎创新：几何驱动的规则检查方法为复杂设计规则提供可扩展解决方案。
3. 开源贡献：TritonRoute-WXL是首个支持16nm以下节点的开源布线工具，推动EDA领域开放生态发展。

应用价值：
- 可直接用于工业级物理设计流程（如OpenROAD），助力RISC-V等开源芯片设计。
- 为后续研究（如布局优化）提供可靠的布线评估基准。

6. 研究亮点

1. 集成化DRC引擎：首次在学术布线工具中实现增量式设计规则检查，支持实时优化。
   
2. 队列式拆解重布：通过动态优先级调度解决传统方法对线网顺序的依赖，显著提升效率。
   
3. 工业级验证：在14nm节点实现DRC清洁，证明工具在先进工艺的实用性。
   

7. 其他有价值内容

• 多线程优化：详细布线阶段8线程加速比达6.31倍，适合大规模设计。
  
• 资源模型一致性：全局布线与详细布线共享引脚访问信息，减少迭代冲突。
  

这篇报告全面介绍了TritonRoute-WXL的创新性、方法细节及实验结果，为集成电路设计自动化领域的研究者提供了重要参考。