1. Using Multi-Bit Flip-Flops for
專題製作
CAD競賽
Using Multi-Bit Flip-Flops for
Clock Power Saving
學生:黃士庭 指導教授:曾奕倫 教授

2. Abstract
Multi-bit flip-flop是一種有效節省電的實施方法，透過合併 flip-flops可以有效地減少clock dynamic power和flip-flop的總面積。

3. 下圖顯示2個single-bit flip-flops合併成1個2-bits flip-flops。
Single-bit flip-flops包含2個inverters, master-latch和slave-latch。

4. 結合多個single-bit flip-flops成Multi-bit flip-flop可以減少2個inverters，使flip-flop的total clock dynamic power consumption和面積可以大幅減少。

5. Introduction 1. Problem Description
Multi-bit flip-flops可以降低能源消耗，是因為flip-flop可以用分享inverter來減少inverter的數量，同時使總面積能夠最小。要能夠獲得這些優勢，我們必須確保我們的設計能夠符合某些限制。

6. timing slack的限制:當使用Multi-bit flip-flops來取代1-bit flip-flops或者以上的時候，multi-bit flip-flop會制定新的routing length。
b.placement密度的限制，multi-bit flip-flop的面積會大於1-bit flip-flop，我們必須將它放置在一個新的地點。

7. Implementation Data Structures
struct info {
long chip_size_w,chip_size_h;
long grid_size_x,grid_size_y;
long bin_size_w,bin_size_h;
long density; };
儲存chip的size ，grid的size，bin的size，和一個bin可
容納的density

8. struct chip_info {
long bit_num;
long power;
long area; };
儲存可以合併的flip flop的資料
bit_num是可合併的個數
power 為此形態的flip flop power是多少
area 為所佔的面積

9. struct chip {
long style;
string name;
long loca_x,loca_y;
vector<long> connect; };
儲存 input 檔所給的flip flop資料
style 為此flip flop型態
name 為此flip flop名稱
loca_x loca_y為此flip lfop位置
connet 為此flip flop跟誰結合了

10. struct pin {
long style;
long loca_x,loca_y;
long slack;
string name;
string which_flip_flop; };
儲存 pin 的資料
style 為此pin的型態 是input 或output
loca_x loca_y 為此pin的位置
slack 為此pin的slack
neme 為此pin的名稱
which_flip_flop 為此pin 連到哪個flip flop

11. struct block {
string name;
long loca_x,loca_y;
long density; };
儲存block 的資料
name 為此block的名稱
loca_x loca_y為此block的位置
density 為此block所佔的面積

12. struct net {
string name;
string which_flip_flop;
long slack; };
儲存net 的資料
name 是pin的名稱
which_flip_flop是此pin連到哪個flip flop
slack 是此pin的slack

13. Algorithms Algorithm: Input: input_data
此input為所給的file，裡面包含了:library，flip_flop list，pin list，net list，
和block list。
Output: output_data
output file包含了:flip flop list，net list，max placement density，和execution time。

14. Begin  1.
將資料讀取進我們所規劃的資料結構裡 2.
計算我們所要合併的次數N
Total flip flop<1000 N=5000
Total flip flop>1000 < N=10000
Total flip flop> < N=15000
Total flip flop>15000 < N=20000
Total flip flop>20000 N=25000

15. 3.
選取資料裡最長的 slack然後除以bin_size
計算出等等要使用的boundary 4.
For 0->N a.
隨機產生我們要合併多少個bit的flip flop
的數字。之後隨機挑選要合併的flip flop
並檢查是否超過要合併的數字。 b.
檢查之後選取到得flip flop是否坐落在第
一個選取到的flip flop周圍的bin。若沒
則重新選取。

16. c.
利用所選取的flip flop的最左下角和最右
上角的座標形成一個四邊形，此四邊形
的範圍裡隨機選取要放置新合併的flip
flop的位置。 d.
比對slack是否符合限制，再比對放置
新的flip flop在此位置是否符合density
的限制。 若不符合，goto step.a
N++

17. 6. 更新資料結構裡的資料
7. 產生output檔

18. 3.合併過後的flip flop可以再重複的合 併。
軟體特色
1.會依照使用者所給檔案的flip flop
數來控制要合併的次數
2.會依照使用者所給檔案的slack來計
算boundary
3.合併過後的flip flop可以再重複的合 併。

19. 報告完畢
以下為附件:SOURCE CODE

20. Source Code 隨機產生BIT 數 do //rand how many bit we will combine {
move_check = 1; //reset
m=0;
if(m == 0) //
rand_bit = (rand() % max_bit) + 1;
for(i=0; i<library.size(); i++)
if(rand_bit == library[i].bit_num && rand_bit != 1)
rand_bit_style = library[i].name;
m=1; }
}while(m != 1);

21. 確認邊界條件和重複選取,或已經結合了 do { bin_check = 0;
rand_temp = rand() % flip_flop.size();
bin_num_x = flip_flop[rand_temp].loca_x/para[0].bin_size_w;
bin_num_y = flip_flop[rand_temp].loca_y/para[0].bin_size_h;
if(bin_num_x - bin_boundary < 0)
boundary_lx = 0;
else
boundary_lx = bin_num_x - bin_boundary;
if(bin_num_x + bin_boundary > para[0].chip_size_w/para[0].bin_size_w)
boundary_rx = para[0].chip_size_w/para[0].bin_size_w;
boundary_rx = bin_num_x + bin_boundary;
…….
if(bin_check == 1)
for(j=0, rt = flip_flop[rand_temp].connect.begin(); rt < flip_flop[rand_temp].connect.end(); j++, rt++)
{ if(rand_temp == flip_flop[rand_temp].connect[j])
{ bin_check = 0; break; }

22. for(m=0, rt2 = rand_ff.begin(); rt2 < rand_ff.end(); m++, rt2{
if(rand_temp == rand_ff[m])
bin_check = 0;
break; }
if(rand_ff_times++ > 99)

23. 擺放新的位置 do { n++; move_check = 1;
posi_add_x = rand() % (max_x - min_x); //compute move value
posi_add_y = rand() % (max_y - min_y);
while(posi_add_x % para[0].grid_size_x !=0)
posi_add_x = rand() % (max_x - min_x); }
while(posi_add_y % para[0].grid_size_y !=0)
temp_posi_x = min_x + posi_add_x;
temp_posi_y = min_y + posi_add_y;
for(i=0, ft = flip_flop.begin(); ft < flip_flop.end(); i++, ft++)
check_all = 0;
if(temp_posi_x == flip_flop[i].loca_x && temp_posi_y == flip_flop[i].loca_y

24. while(posi_add_y % para[0].grid_size_y !=0){
posi_add_y = rand() % (max_y - min_y); }
temp_posi_x = min_x + posi_add_x;
temp_posi_y = min_y + posi_add_y;
i = 0; //reset
ft = flip_flop.begin(); //reset

25. 比對SLACK for(rt=rand_ff.begin(),i=0;rt<rand_ff.end();rt++,i++) {
for(nt=net_info.begin(),j=0;nt<net_info.end();nt++,j++)
if(net_info[j].which_flip_flop == flip_flop[rand_ff[i]].name)
for(pt=pin_info.begin(),m=0;pt<pin_info.end();pt++,m++)
if(pin_info[m].name == net_info[j].name)
final_slack = pin_info[m].slack + abs(flip_flop[rand_ff[i]].loca_x - pin_info[m].loca_x) + abs(flip_flop[rand_ff[i]].loca_y - pin_info[m].loca_y) - abs(pin_info[m].loca_x - temp_posi_x) - abs(pin_info[m].loca_y - temp_posi_y);
if(final_slack < 0)
move_check = 0;
break;
} } }
} if(move_check == 0) break;
if(move_check == 0)

26. 比對density是否合乎規定 if(move_check == 1) //if slack OK {
bin_num_x = (min_x + posi_add_x)/para[0].bin_size_w;
bin_num_y = (min_y + posi_add_y)/para[0].bin_size_h;
last_density = bin_array[bin_num_x][bin_num_y];
for(rt=rand_ff.begin(),i=0;rt<rand_ff.end();rt++,i++)
for(lt=library.begin(),j=0;lt<library.end();lt++,j++)
if(library[j].name == flip_flop[rand_ff[i]].style)
bin_array[bin_num_x][bin_num_y] = bin_array[bin_num_x][bin_num_y] - library[j].area; } }
if(library[j].bit_num == rand_bit)
bin_array[bin_num_x][bin_num_y] = bin_array[bin_num_x][bin_num_y] + library[j].area;
break;
if(bin_array[bin_num_x][bin_num_y] > para[0].density
bin_array[bin_num_x][bin_num_y] = last_density;
move_check = 0;