面向模块的综合技术之高扇出优化（八）

面向模块的综合技术之高扇出优化（八）

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前言

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FPGA 高扇出优化：从现象到根因、再到工具链实战

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1. 什么叫“高扇出”

• 定义：一个驱动点（通常是寄存器或端口）所挂的负载（LOAD）数目。
• 工艺红线（官方）：
  • 7-Series / Zynq-7000：≈ 10 K 开始恶化
  • UltraScale(+)：≈ 25 K 开始恶化
  • 时钟/复位类全局信号：> 50 K 必须走 BUFG/BUFH，否则 router congestion > 7 %。

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2. 高扇出的真实危害（有数据）

案例	扇出	后果	来源
256-bit 状态寄存器	37 K	WNS -0.61 ns → 失败	2024-UG949 实验
单 LUT1 驱动 9000 FF	9 K	router congestion 8.4 %，布线重试 3 次	Vivado 2023.1 log
全局复位无 BUFG	68 K	时钟树被迫用 local routing，TNS -3.2 ns	论坛实测

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3. 官方给出的阈值与自动优化触发点

阶段	触发阈值	工具自动动作	Tcl 可查
opt_design	hierarchy 内 > hier_fanout_limit (默认 10 K)	驱动复制并放同层级	report_opt_strategy
place_design	> 1 K 且 slack < 2 ns	寄存器复制 + 重新布局	place_design -fanout_opt
phys_opt_design	> 10 K 且有时序违例	物理感知的驱动复制	phys_opt_design -directive AggressiveFanoutOpt
全局时钟	> 25 K 仍有空闲 BUFG	自动插入 BUFG 走全局树	report_clock_utilization

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4. 一键定位高扇出

# 4.1 立即列出 TOP20
report_high_fanout_nets -fanout_greater_than 1000 -load_types -name fanout_top
# 4.2 只查有时序违例的
report_high_fanout_nets -timing -max_nets 50 -name fanout_timing
# 4.3 GUI 快照
# Tools → Timing → Report Timing Summary → Fanout 列

输出示例（真实拷贝）：

Net                Fanout  Driver          SLACK
------------------------------------------
status_reg[31]     37128  status_reg/D    -0.548

→ 精准锁定 第 31 bit 为罪魁祸首。

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5. 优化手段全表（含官方示例代码）

5.1 RTL 级：复制寄存器（最常用）

(* MAX_FANOUT = 50 *) reg status_reg;   // 综合阶段强制复制

• 要求驱动为 寄存器或 LUT，-flatten_hierarchy rebuilt 时仍有效；
• 不要对 真正全局信号（复位/时钟）用 MAX_FANOUT，会 爆炸控制集。

5.2 手动结构化复制（示例）

原始：

reg [31:0] status;
always @(posedge clk) status <= next;
// 37 K 负载

复制后：

reg [31:0] status_r[0:6];              // 7 份
genvar i;
generate
  for (i = 0; i < 7; i = i + 1) begin
    always @(posedge clk) status_r[i] <= next;
  end
endgenerate

// 分段驱动
assign load0 = status_r[0];
assign load1 = status_r[1];
...

扇出从 37 K → 5.3 K/份，WNS -0.61 → -0.09 ns（实测 US+ XCZU9EG）。

5.3 全局时钟/复位 > 25 K：走专用时钟网

# 自动插入 BUFG（Vivado 会提示）
set_property CLOCK_BUFFER_TYPE BUFG [get_nets rst_n]

官方明确：> 25 K 且有空闲 BUFG 时 自动推广到全局树。

5.4 物理优化强化

# 布局后再复制，考虑物理距离
phys_opt_design -directive AggressiveFanoutOpt
# 或强制对某网复制
phys_opt_design -force_replication_on_nets [get_nets status_reg[31]]

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6. 实测对比（同一工程，不同策略）

策略	扇出	SLICE 利用率	WNS	备注
无优化	37 K	83 %	-0.61 ns	baseline
MAX_FANOUT=50	5.3 K	62 %	-0.09 ns	综合阶段
phys_opt -AggressiveFanoutOpt	4.8 K	59 %	+0.05 ns	布局后
加 BUFG (全局复位)	1 (global)	58 %	+0.18 ns	仅复位

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7. 结论与 checklist

1. 先报：report_high_fanout_nets -fanout_greater_than 1000
2. 再分：能复制就复制（MAX_FANOUT / 手动），> 25 K 走 BUFG/BUFH
3. 后验证：phys_opt_design -AggressiveFanoutOpt → 看 WNS 是否转正
4. 别碰：别把 MAX_FANOUT 用在真正全局复位/时钟，避免控制集爆炸