3.3 Floorplanning：在矽上畫出城市的街道#

一座城市的好壞，在第一筆街道圖時就決定了一半。晶片也一樣：floorplanning 是實體設計的第一個動作，它決定了 die 有多大、core 在哪裡、單元列怎麼排、IO pin 落在何處、power 網怎麼鋪。此後 placement 與 routing 的所有掙扎，都是為這一步的判斷付出代價或收取紅利。OpenROAD 把這個階段交給 ifp（initial floorplanning）引擎，加上相鄰的 power 與 pin 工具，構成 ORFS 流程的第二大階段。

Die、Core 與 Utilization#

一切從兩個矩形開始。die area 是晶片的整體邊界，core area 是標準單元可以擺放的內部區域，兩者之間的環帶留給 IO pad、電源環與封裝線。設計者最關心的數字是 utilization（使用率）：

\[ U = \frac{\text{所有 cell 面積總和}}{\text{core 面積}} \]

utilization 100% 意味著 core 塞得毫無縫隙，placement 與 routing 將無路可走；經驗上，標準單元設計常落在 50%–70%。這個數字是空間與收斂性的交易：utilization 越低，工具越容易收斂，但 die 越大、成本越高。在 130nm 這種成熟製程，晶片面積成本相對便宜，取 45%–55% 是常見的務實選擇；在先進節點，每平方毫米動輒數萬美元，設計者被迫在 70% 以上作業，工具壓力陡增。

在 ORFS 的 config.mk 裡，這個取捨只需要兩行：

export CORE_UTILIZATION = 45
export CORE_ASPECT_RATIO = 1        # core 長寬比

若你想完全手動控制，OpenROAD 的 ifp 命令可以直接指定座標：

initialize_floorplan -die_area {0 0 400 400} \
    -core_area {20 20 380 380} -site unithd

-site 指定 row 所用的 site 定義（來自 tech LEF），ifp 會在 core 內鋪出整齊的單元列，每列高度一個 site、可容納電源軌穿插。

Pin Placement 與層次約束#

die 與 core 之後是 IO pin 擺放。Pin 的位置看似小事，實則深刻影響後段：訊號 pin 若擺在與其連接邏輯遙遠的邊上，routing 階段就得拉出漫長繞線，時序與擁塞同時惡化。ifp 的 place_pins 命令（ORFS 中在 floorplan 階段自動執行）會根據 netlist 的連接關係，把 pin 均勻地放到指定金屬層的邊界上：

place_pins -hor_layers met3 -ver_layers met2

這行命令把水平方向 pin 放在 met3、垂直方向放在 met2，工具依各邊的連接需求分配位置。熟練的設計者會在此介入——例如把 clock pin 固定在靠近其緩衝樹的位置——因為自動分配並不理解設計意圖。

Power Planning：流過城市的水系#

Floorplanning 階段還要鋪設電源網：電源環（power ring）沿 core 邊界環繞，電源條（power straps）成網格狀橫貫 core，再與標準單元的電源軌（followpins）相連。電源網設計的核心是 IR drop（電壓降）與 electromigration（電致遷移）：金屬線有電阻，電流一來就掉電壓；電流密度過高，金屬原子會被電子風搬走，長期導致斷線。這是物理學直接寫進設計規則的例子——電壓降若吃掉 5% 的供電，cell 變慢、時序崩壞。ORFS 的流程在 floorplan 階段呼叫 OpenROAD 的 pdngen 依 platform 設定自動生成電源網，並在之後的階段反覆驗證。

判斷好壞：與後段的對話#

Floorplanning 沒有單獨的正確答案，它是在為 placement、CTS、routing 的收斂性下注。ORFS 用增量流程讓這種對話變得便宜：

make DESIGN_CONFIG=./designs/sky130hd/gcd/config.mk floorplan

之後啟動 GUI 檢視結果（make ... show），檢查 row 是否整齊、pin 是否合理、power 網是否完整。若 placement 階段出現擁塞或時序崩壞，經常要回到這裡調整 utilization 或 pin 策略，重跑流程。這種「快速迭代、及早驗證」的工作法，正是 OpenROAD 統一資料庫帶來的紅利——每次重跑 floorplan 只需要幾分鐘，而不是商業流程的半天等待。

為什麼這一步長期被輕視#

在教科書敘事裡，floorplanning 常被寫成「設幾個數字」的例行公事，但在真實產業裡，它是架構師與實體設計的交鋒處：macro 擺哪裡、匯流排怎麼走、時脈域怎麼切分，這些判斷牽涉到晶片的架構知識，而不是演算法可以完全代勞。OpenROAD 社群對此的回應是逐步把專家判斷「編碼進工具」——ifp 的啟發式、AutoTuner 對參數的自動搜尋、以及下一章要談的 macro placement 研究。當這些判斷被寫成程式碼，它們就從「老師傅的直覺」變成「可傳授、可複製的方法論」。街道圖一旦畫好，城市的命運已定；而當畫街道的方法公開了，每個學生都可以成為規劃者。