【芯片設(shè)計】從RTL到GDS（八）：時鐘樹綜合

倒序瀏覽 · 發(fā)表于 2024-10-16 12:20:00

在上一篇文章中，我們已經(jīng)了解了布局這個概念。在完成了芯片的布局以后，我們才知道每個Instance放在哪里，也才知道每個Flip-Flop的具體位置。時鐘樹綜合需要知道每個觸發(fā)器的物理位置，以便于計算到達(dá)每個觸發(fā)器的最佳路徑和插入適當(dāng)?shù)木彌_器。布局階段完成后，所有單元都有了確定的坐標(biāo)，這為時鐘樹綜合提供了所需的信息。此外布局階段不僅確定了單元的位置，還確定了大部分連線的布線。
時鐘樹綜合需要考慮現(xiàn)有的連線情況，以確保時鐘網(wǎng)絡(luò)的引入不會與現(xiàn)有的信號線沖突。在完成時鐘樹綜合以后，下一步將會完成進(jìn)一步的布線。本篇文章我們將重點(diǎn)放在時鐘樹綜合上。

在之前的階段中，我們都認(rèn)為時鐘是理想的，現(xiàn)在既然所有的時序單元都已經(jīng)放好了，我們按理說要給這些時序單元提供真正的時鐘信號，才能讓我們的分析變得更加準(zhǔn)確。

一個非常簡單的辦法，直接用一個時鐘作為Source，連接到所有的時序單元的Clock接口�？梢詥�？
顯然不可以，這種辦法沒有考慮Timing、Power、Area等等一系列的問題。最顯而易見的就是沒有考慮時序，假設(shè)兩個時序單元模塊物理距離比較遠(yuǎn)，那么時鐘到達(dá)的時間顯然也不一樣。目前的電路都是高速電路，一個時鐘周期可能1ns都不到，從同一源頭出發(fā)，這個時間信號可能才走到芯片的一半呢！
既然問題沒有這么簡單，那么我們就逐一考慮這一系列的問題，將這些問題解決了，大概也就清楚了時鐘樹綜合到底是在做什么。

1、Implications of Clocking

回顧一下靜態(tài)時序分析的基本概念，我們的時鐘約束有兩大約束，分別稱為Max Delay約束和Min Delay約束。其本質(zhì)都是評估數(shù)據(jù)信號到達(dá)觸發(fā)器D端和時鐘信號到達(dá)觸發(fā)器Clock端的時間關(guān)系。

之前我們的分析相對簡單，考慮理想的時鐘信號。大家有沒有想過時鐘信號不是那么理想的情況？比如時鐘信號到達(dá)兩個寄存器的時刻不一樣。這就會引入額外的參數(shù)，這個概念我們稱之為Clock Skew。同樣對時序造成影響的還有Clock Jitter。
Clock Skew是一個空間概念，反映的是不同寄存器之間的時鐘到達(dá)關(guān)系。Clock Jitter則是相對于同一個寄存器而言，由于時鐘信號的擾動之類的影響，其不同的時鐘周期持續(xù)時間不一樣的現(xiàn)象。此外時鐘的上升和下降，顯然不是一下子就從0到1或者從1到0，其必然需要一個時間，我們一般叫做trise，tfall。
對于Clock Skew，有一個很簡單的思路，既然到達(dá)的時刻不一樣，想辦法讓它們一樣不就行了？比如到達(dá)一個寄存器比較快，我在它中間搞一點(diǎn)延遲，那么到達(dá)時間不就慢下來了？這種方法我們稱為Insertion Delay。

下圖反映了Skew和Jitter是怎么導(dǎo)致的。基本上由以下幾個因素導(dǎo)致：
Clock Generation
時鐘信號最初由時鐘源生成，如果時鐘源本身存在不穩(wěn)定因素，比如晶體振蕩器的老化、溫度變化影響等，都可能導(dǎo)致時鐘信號的不穩(wěn)定；
Distribution Network
Number of Buffers：在時鐘分布網(wǎng)絡(luò)中，為了驅(qū)動更多的負(fù)載，會插入多個緩沖器。緩沖器的數(shù)量和類型會影響時鐘信號的穩(wěn)定性和傳遞時間；
Device Variation：即使是同一批次的器件，它們的工作特性也可能存在微小的差異，這些差異可能會導(dǎo)致時鐘信號通過不同器件時產(chǎn)生不同的延遲；
Wire length and Variation：芯片內(nèi)部的連線長度不同，電氣特性也不盡相同，這會導(dǎo)致時鐘信號到達(dá)各個觸發(fā)器的時間不同；
Coupling：信號線之間的耦合效應(yīng)也可能導(dǎo)致時鐘信號的傳播受到影響，比如相鄰信號線之間的電磁干擾；
Load：不同的觸發(fā)器或邏輯單元對時鐘信號的負(fù)載不同，這會影響時鐘信號的傳遞速度；
Environment Variation
Temperature：溫度變化會影響器件的電氣特性，包括信號傳播速度和電源電壓等，進(jìn)而影響時鐘信號的穩(wěn)定性；
Power Supply：電源的波動或者噪聲也會影響時鐘信號的穩(wěn)定性，尤其是在電壓供應(yīng)不穩(wěn)定的情況下；

我們知道了Skew和Jitter的由來，我們再來看看它是怎么影響我們的時序分析的，通過下圖我們可以非常清晰的看到Skew和Jitter對時序的影響。這里相信大家看過靜態(tài)時序分析那篇文章以后，對靜態(tài)時序分析有基本的理解，所以大家這里直接看圖就行，我就不多做解釋了。

我們再來看一下時鐘對功耗的影響。對時鐘網(wǎng)絡(luò)自身而言，其作為源頭，是需要一直活躍的。因此其活躍因子為1。因此我們需要考慮一下電容對功耗的影響。時鐘電容主要由以下幾方面組成：
時鐘生成：時鐘信號的產(chǎn)生通常涉及到鎖相環(huán)、時鐘分頻器等電路，這些電路在產(chǎn)生時鐘信號的過程中會消耗一定的功率；
時鐘元件：時鐘網(wǎng)絡(luò)中包含的緩沖器、多路選擇器、時鐘門控等元件，在驅(qū)動時鐘信號時會消耗功率；
時鐘連線：時鐘信號需要通過連線傳遞到芯片上的各個部分，連線的電容會對時鐘信號產(chǎn)生負(fù)載，從而影響功耗；
時鐘負(fù)載：時鐘信號需要驅(qū)動所有的時序元件（如觸發(fā)器），這些元件的負(fù)載也會消耗時鐘網(wǎng)絡(luò)的功率；
綜上所述，時鐘占據(jù)了整個芯片Power的很大一部分，考慮功耗的時候需要重點(diǎn)考慮這一部分。

我們再來看一下時鐘網(wǎng)絡(luò)對信號完整性的需求和影響�？紤]信號完整性，意味著時鐘信號在傳輸過程中需要保持其原始形狀和質(zhì)量，不受噪聲和失真的影響。時鐘網(wǎng)絡(luò)上的噪聲可能會導(dǎo)致以下問題：
首先考慮時鐘網(wǎng)絡(luò)上的噪聲會產(chǎn)生什么負(fù)面影響。最壞的情況下，噪聲會導(dǎo)致額外的時鐘邊緣，造成后級模塊的誤判斷，以為新的時鐘周期又來了。顯然這樣會造成嚴(yán)重錯誤。即使噪聲沒有引起額外的邊沿，較低的耦合效應(yīng)仍然可能減緩或加速時鐘信號的傳播，導(dǎo)致時鐘偏斜。不規(guī)則的時鐘邊沿可能會阻礙觸發(fā)器的正常操作，因為觸發(fā)器需要精確的時鐘邊沿來同步其操作。
然后考慮一下時鐘邊沿上升下降緩慢會帶來什么影響。時鐘信號的過渡時間過長可能會導(dǎo)致觸發(fā)器無法在正確的時間窗口內(nèi)識別時鐘邊沿，影響其設(shè)置和保持時間。此時對噪聲的容忍性會進(jìn)一步下降。還會導(dǎo)致觸發(fā)器的性能下降，比如更差的建立時間保持時間。
那是不是上升下降越快越好呢？就像理想情況一樣，直接就從1到0或者從0到1。其實(shí)也不是，雖然快速的時鐘過渡通常被認(rèn)為是理想的，但如果過快，可能會導(dǎo)致功率消耗增加、設(shè)計過度復(fù)雜化，以及對其他信號的干擾增大。
此外如果時鐘網(wǎng)絡(luò)中的driver不平衡，會導(dǎo)致時鐘偏斜的增加，從而影響電路的同步性能。
一個比較好的建議，將trise和tfall設(shè)置為時鐘周期的百分之10到百分之20。

我們再來看一下時鐘網(wǎng)絡(luò)對面積的影響。時鐘網(wǎng)絡(luò)包括時鐘生成器、時鐘元件和時鐘連線，所有這些都會占用芯片面積。
時鐘生成器：例如鎖相環(huán)（PLL），可能會非常大，因為它需要包含振蕩器、相位檢測器、電荷泵、濾波器等多個子組件。
時鐘緩沖器：時鐘緩沖器分布在芯片的各個部分，以便驅(qū)動時鐘信號到達(dá)每個時鐘元素。這些緩沖器的總和會占用相當(dāng)大的面積。
時鐘連線：時鐘連線會消耗大量的布線資源。在芯片設(shè)計中，布線資源是非常寶貴的，因為它們決定了信號如何在芯片上傳播。
此外我們需要考慮布線資源的重要性，為了實(shí)現(xiàn)快速和干凈的時鐘信號過渡，需要低的電阻-電容（RC）時間常數(shù)。這意味著時鐘網(wǎng)絡(luò)需要高質(zhì)量的布線資源。為了減少電阻，通常會選擇high、wide的金屬層來布線時鐘信號，因為這些金屬層通常更寬，電阻更低。
時鐘網(wǎng)絡(luò)需要連接到芯片上的每個時鐘元素，這意味著時鐘連線需要遍布整個芯片。此外為了從高層次的金屬層連接到低層次的金屬層，需要使用疊孔，這也會占用額外的面積，并可能增加延遲。

2、Clock Distribution所以我們怎么構(gòu)建時鐘樹呢？

我們看一下需要做到什么。首先考慮只有一個時鐘源頭，有多個Sinks。我們需要將他們連接起來。同時讓Clock Skew，Delay，整體的Wire length，噪聲和耦合效應(yīng)都盡可能的小。
我們的挑戰(zhàn)是什么？
同步數(shù)百萬（數(shù)十億）個獨(dú)立元素：在現(xiàn)代集成電路中，可能包含數(shù)百萬甚至數(shù)十億個需要同步的元素，如觸發(fā)器、寄存器等。
在10 ps的時間尺度上同步：這些元素需要在極短的時間內(nèi)同步，大約在10皮秒（ps）的量級上。這是一個非常短暫的時間窗口，要求時鐘信號必須非常精確和穩(wěn)定。
跨越2-4 cm的距離：時鐘信號需要在芯片上傳播很長的距離，通常在2到4厘米之間。這樣的距離在芯片內(nèi)部是一個相對較大的范圍。
同步距離與元素尺寸的比例約為10^5：這意味著時鐘信號需要在一個非常大的范圍內(nèi)同步非常小的元素，這是一個巨大的挑戰(zhàn)。
參考：光在1 cm內(nèi)傳播需要10 ps：光在10皮秒傳播不到1cm。這是一個理論上的極限，實(shí)際上的電子信號傳播速度遠(yuǎn)低于光速。
總結(jié)來說，時鐘路由的挑戰(zhàn)在于如何在極短的時間內(nèi)，將時鐘信號精確地同步到芯片上每一個角落的元素，同時還要克服信號在傳播過程中的延遲和衰減。這要求設(shè)計師采用先進(jìn)的時鐘樹綜合技術(shù)，優(yōu)化時鐘網(wǎng)絡(luò)的布局和布線，以確保時鐘信號的穩(wěn)定性和同步性。

我們看一下目前的技術(shù)趨勢。我們都知道時鐘頻率目前變得越來越高，隨著時鐘頻率的提高，對始終偏斜以及信號過渡的要求也越來越高。此外隨著CMOS工藝的縮小，PLL的性能得到改善，有助于減少時鐘抖動，但與此同時其它噪聲源可能會增加，比如電源噪聲和溫度梯度。
銅互連的使用降低了電阻-電容（RC）時間常數(shù)，有助于改善信號過渡和潛在的時鐘偏斜。低介電常數(shù)（low k）材料可以減少時鐘功耗，改善延遲、偏斜和過渡率。
隨著設(shè)計的深入流水線化，使用了更多的寄存器，這增加了時鐘網(wǎng)絡(luò)的電容負(fù)載。更大的芯片尺寸需要更長的連線來覆蓋整個晶圓，增加了時鐘網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和功耗。隨著功能的增加和器件的增多，更多的元素需要時鐘信號，這進(jìn)一步增加了時鐘網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。動態(tài)邏輯設(shè)計中，通常會有更多的元素需要時鐘信號，這也會增加時鐘網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。

根據(jù)不同的設(shè)計需求和目標(biāo)，時鐘綜合可以采用不同的方法，主要包括以下幾種：
時鐘樹（Clock Tree）：這是傳統(tǒng)的時鐘分布方法，它從單一的時鐘源開始，通過一系列的緩沖器（buffers）和驅(qū)動器（drivers）將時鐘信號分支傳遞到芯片上的各個觸發(fā)器。時鐘樹的設(shè)計旨在平衡每個觸發(fā)器看到的時鐘路徑長度，以減少時鐘偏斜。
時鐘網(wǎng)格（Clock Mesh/Grid）：時鐘網(wǎng)格是一種全局時鐘分布網(wǎng)絡(luò)，它由水平和垂直的時鐘線組成，這些線在整個芯片上形成一個網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。時鐘網(wǎng)格的設(shè)計可以提高時鐘信號的均勻性，減少時鐘偏斜，并且有助于應(yīng)對隨著芯片尺寸增大而增加的時鐘分布挑戰(zhàn)。
時鐘脊柱（Clock Spines）：時鐘脊柱是一種介于時鐘樹和時鐘網(wǎng)格之間的時鐘分布方法。它通常包括一些主要的垂直或水平時鐘線，這些線充當(dāng)主時鐘路徑，然后通過分支將時鐘信號傳遞到芯片上的各個部分。時鐘脊柱的設(shè)計旨在提供一種平衡的方法，既能夠減少時鐘偏斜，又能夠簡化時鐘網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。
每種方法都有其優(yōu)勢和局限性，設(shè)計師需要根據(jù)具體的電路設(shè)計、性能要求和工藝技術(shù)來選擇合適的時鐘綜合方法。隨著集成電路尺寸的增大和性能要求的提高，時鐘綜合變得越來越具有挑戰(zhàn)性，需要更加先進(jìn)的工具和算法來支持。

我們來看一下時鐘樹。時鐘樹是集成電路中用于分布時鐘信號的一種結(jié)構(gòu)。在設(shè)計中，一個簡單但非實(shí)用的方法是為每個時鐘終點(diǎn)（sink）單獨(dú)布線，并平衡RC延遲。然而，這種方法會導(dǎo)致功耗過大，且每個網(wǎng)線的較大RC值可能會引起信號完整性問題。
為了避免這些問題，實(shí)際中會使用緩沖器樹（buffered tree）結(jié)構(gòu)。這種方法的特點(diǎn)和優(yōu)勢包括：
短網(wǎng)線意味著更低的RC值：通過使用緩沖器樹，每個時鐘網(wǎng)線的長度可以縮短，從而降低RC（電阻-電容）值。短的網(wǎng)線可以減少信號延遲和功耗。
緩沖器恢復(fù)信號：在時鐘信號傳播路徑上插入緩沖器可以幫助恢復(fù)信號強(qiáng)度，提高信號的過渡速率（slew rates），確保時鐘邊沿的清晰和可識別。
降低總插入延遲：由于RC值較低，整個時鐘樹的插入延遲（insertion delay）也會降低，這有助于減少時鐘偏斜。
減少總的開關(guān)電容：緩沖器樹可以減少時鐘網(wǎng)絡(luò)上總的開關(guān)電容，因為每個緩沖器只需驅(qū)動較少的負(fù)載。這有助于降低時鐘網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)功耗。
總之，時鐘樹的設(shè)計目標(biāo)是在功耗、信號完整性和時鐘偏斜之間找到平衡。通過使用緩沖器樹，設(shè)計師可以有效地管理這些設(shè)計約束，實(shí)現(xiàn)高效且可靠的時鐘分布。

讓我們來構(gòu)建一個實(shí)際的時鐘樹，可以看到下圖這個形狀，非常像H。所以我們稱之為H-Tree。它具有以下特點(diǎn)：
一個大的中心驅(qū)動器：H-Tree從一個大的中心驅(qū)動器開始，向四個方向（或者更多的方向，取決于設(shè)計的復(fù)雜性）分支。
遞歸的H形狀結(jié)構(gòu)：H-Tree使用遞歸的H形狀結(jié)構(gòu)來匹配連線長度，確保時鐘信號到達(dá)各個觸發(fā)器的時間大致相同。
在分支點(diǎn)減半連線寬度：在H-Tree的分支點(diǎn)，連線的寬度會減半，這樣做可以減少信號反射，提高信號質(zhì)量。
然而，這種完美平衡的H-Tree在實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)，因此更現(xiàn)實(shí)的方法是使用錐形H-Tree（Tapered H-Tree），其試圖實(shí)現(xiàn)平衡，但更加靈活，以適應(yīng)實(shí)際設(shè)計中觸發(fā)器不均勻分布的情況。
標(biāo)準(zhǔn)的時鐘樹綜合（CTS）方法會考慮到觸發(fā)器的實(shí)際分布，嘗試構(gòu)建一個平衡的時鐘樹。在CTS過程中，工具會根據(jù)觸發(fā)器的位置和時鐘網(wǎng)絡(luò)的需求來自動放置緩沖器，并調(diào)整連線的長度和寬度，以實(shí)現(xiàn)最佳的時鐘分布。

我們來看兩個工業(yè)界的芯片的時鐘網(wǎng)絡(luò)，其使用了H-Tree。

我們再來看一下時鐘網(wǎng)格，其相對于時鐘樹有什么區(qū)別呢？首先我們看一下時鐘網(wǎng)格長什么樣子，可以看到其前面仍然是時鐘樹，但真的驅(qū)動的時候，將flip flop放到一個個的格子中，然后直接通過連線進(jìn)行驅(qū)動。它有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：
時鐘偏斜由網(wǎng)格密度決定：時鐘網(wǎng)格通過均勻分布的網(wǎng)格線來提供時鐘信號，因此時鐘偏斜主要取決于網(wǎng)格的密度，而不是特定負(fù)載的位置。
時鐘信號無處不在：由于時鐘網(wǎng)格覆蓋整個芯片，因此時鐘信號幾乎可以在芯片的任何地方獲得。
對工藝變化的容忍度高：時鐘網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)使得它對制造過程中的變化不那么敏感，因此可以提供更加穩(wěn)定的時鐘分布。
通常能夠?qū)崿F(xiàn)極低的時鐘偏斜：由于時鐘網(wǎng)格的設(shè)計方式，它通常能夠?qū)崿F(xiàn)非常低的時鐘偏斜值。
然而，時鐘網(wǎng)格也有一些缺點(diǎn)：
大量的布線和功耗：時鐘網(wǎng)格需要大量的布線，這會導(dǎo)致功耗的增加。
連線電容大：由于時鐘網(wǎng)格的布線范圍廣泛，因此連線的電容也會很大。
需要強(qiáng)大的驅(qū)動器：為了驅(qū)動這樣的網(wǎng)格，需要強(qiáng)大的驅(qū)動器，這意味著驅(qū)動器的預(yù)驅(qū)動電容也會很大。
布線面積大：時鐘網(wǎng)格占用了大量的芯片面積，這可能會影響其他電路元素的布局。
為了最小化這些缺點(diǎn)，可以使網(wǎng)格間距變得更粗，但這樣做會導(dǎo)致時鐘偏斜變差，從而失去了時鐘網(wǎng)格的主要優(yōu)勢。設(shè)計時不應(yīng)過度設(shè)計，而是應(yīng)該讓時鐘偏斜盡可能大，只要它仍然在可容忍的范圍內(nèi)。
此外時鐘網(wǎng)格對于片上系統(tǒng)來說似乎并不可行，這是因為SoC的復(fù)雜性和對功耗、面積的限制。因此，設(shè)計師需要根據(jù)具體的應(yīng)用和設(shè)計約束來選擇合適的時鐘分布方法。

我們看幾個工業(yè)界的例子，可以看到時鐘網(wǎng)格的Driver Size很大。其Skew相比于時鐘周期而言非常的小。

時鐘脊柱（Clock Spines）是一種用于時鐘分布的替代方法，它旨在減少時鐘網(wǎng)格所導(dǎo)致的功耗和布線資源的消耗。時鐘脊柱的設(shè)計理念是構(gòu)建一個中心脊柱，然后從脊柱向外輻射時鐘信號，以實(shí)現(xiàn)時鐘的局部分布。
以下是時鐘脊柱的一些關(guān)鍵特點(diǎn)：
構(gòu)建H Tree到每個脊柱：與時鐘網(wǎng)格不同，時鐘脊柱設(shè)計中會構(gòu)建一個中心脊柱，然后從脊柱向外輻射時鐘信號。這種設(shè)計類似于H Tree結(jié)構(gòu)。
從脊柱輻射本地時鐘分布：時鐘脊柱的設(shè)計允許從脊柱向各個方向輻射時鐘信號，以實(shí)現(xiàn)對本地區(qū)域的時鐘分布。
減少功耗和布線資源：與時鐘網(wǎng)格相比，時鐘脊柱的設(shè)計減少了布線資源的需求，因為它不要求在每個方向上都布設(shè)時鐘線。這有助于降低功耗。
Pentium 4是早期采用時鐘脊柱設(shè)計的一個例子。它表明時鐘脊柱在實(shí)際應(yīng)用中是可行的，并且能夠滿足當(dāng)時的設(shè)計需求。

當(dāng)然時鐘的設(shè)計非常復(fù)雜，上面也是簡單介紹一下。這里我們簡單總結(jié)一下這三種時鐘網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別：

此外還有專用的Skew管理機(jī)制。

我們來看一下時鐘并發(fā)優(yōu)化。不要忘記CTS的主要目標(biāo)，我們的核心目標(biāo)是要滿足時序要求和DRV約束。時鐘偏斜的減少只是作為時鐘綜合與后端設(shè)計（post-CTS）和前端設(shè)計（pre-CTS）之間時序相關(guān)性的一個指標(biāo)。實(shí)際上，我們更應(yīng)該關(guān)注的是滿足時序和驅(qū)動約束。
CCOpt提出了一種新的時鐘綜合方法，它不再將時鐘偏斜作為唯一目標(biāo)，而是同時考慮時序和驅(qū)動約束，以及功耗和面積的優(yōu)化。在構(gòu)建時鐘網(wǎng)絡(luò)時，CCOpt方法會考慮時序和驅(qū)動約束，而不是僅僅關(guān)注時鐘偏斜。這有助于在滿足性能要求的同時，減少功耗和面積的浪費(fèi)。

其首先構(gòu)建一個時鐘樹，然后檢查時序并修復(fù)任何違反時序要求的地方。這種方法之所以有效，是因為大多數(shù)時序路徑都是局部的，它們可能來自同一個時鐘分支，因此不需要太多的時鐘偏斜平衡。
以下是這種方法的一些優(yōu)點(diǎn)：
局部的時序路徑：大多數(shù)時序路徑都是局部的，這意味著它們通常來自同一個時鐘分支。因此，這些路徑不需要太多的時鐘偏斜平衡來開始；
減少時鐘偏斜平衡：由于時序路徑的局部性，可以減少時鐘偏斜平衡的需求。這有助于降低插入延遲，因為時鐘信號到達(dá)觸發(fā)器的時間更短；
降低功耗和面積：由于減少了時鐘偏斜平衡的需求，因此可以減少時鐘緩沖器的數(shù)量，從而降低功耗和面積的消耗；
電流分布的優(yōu)化：減少時鐘偏斜平衡有助于優(yōu)化電流分布，減少IR Drop的影響；
有用的時鐘偏斜：盡管減少了時鐘偏斜平衡，但仍會保留一定程度的時鐘偏斜，這對于時序路徑上的局部時序要求是有益的。比如可以在建立時間緊張的寄存器，你讓時鐘晚一點(diǎn)到來，這屬于合理利用Skew；
總的來說，CCOpt方法通過首先構(gòu)建一個基本的時鐘樹，然后根據(jù)時序要求進(jìn)行調(diào)整，可以在滿足時序要求的同時，減少功耗和面積的消耗。這種方法強(qiáng)調(diào)時序路徑的局部性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行時鐘網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和優(yōu)化。

3、Clock Tree Synthesis in EDA我們來看一下實(shí)際EDA工具是如何進(jìn)行時鐘樹綜合的。這里我們將以Cadence的Innovus為例進(jìn)行說明。

首先我們再明確一下，我們在時鐘樹綜合之前已經(jīng)有了什么，基于這些東西我們需要做什么，實(shí)現(xiàn)什么。
我們需要滿足DRV約束，比如最大扇出，最大電容，最大長度等等。還要盡可能減少Skew，減少Insertion Delay。

我們來看一下時鐘樹由哪些部分組成？
起始點(diǎn)：時鐘樹的起始點(diǎn)是時鐘端口或時鐘生成器的輸出引腳，這是時鐘信號的源頭，所有的時鐘信號都是從這里開始傳播的；
葉子節(jié)點(diǎn)/終點(diǎn)：時鐘樹的葉節(jié)點(diǎn)或終點(diǎn)是指時鐘信號最終到達(dá)的地方，通常是寄存器、存儲器等同步元件的時鐘引腳，理論上時鐘信號必須在這些點(diǎn)上同時到達(dá)，以保持?jǐn)?shù)據(jù)的同步性；
緩沖器/反相器：緩沖器和反相器是時鐘樹中的重要組成部分，它們用于驅(qū)動時鐘信號，確保時鐘信號的轉(zhuǎn)換能夠滿足設(shè)計要求。通過插入緩沖器或反相器，可以調(diào)整時鐘路徑的延遲，以減少時鐘偏斜；（比如通過兩個反相器，讓信號0和1變得更分明，變得變強(qiáng)）

特殊邏輯：包括多路復(fù)用器、集成的時鐘門控、時鐘分頻器等。這些邏輯單元可以用來控制時鐘信號的分布，例如，通過時鐘門控來關(guān)閉不需要的時鐘信號，以降低功耗；
我們需要一種“語言”來定義這些（以及其他）組件，接下來我們會討論CCOpt方法中對這些的命名規(guī)定。

我們再來回顧一下什么是Source和Sink。
Clock Source：
Clock Source是指時鐘信號發(fā)散出來的引腳，是時鐘樹的起點(diǎn)；
Clock Source可以是：（這三個直接看下圖就可以理解，很清楚）
設(shè)計的主要輸入端口，例如一個外部時鐘信號輸入到芯片；
一個IP核的輸出引腳，比如一個鎖相環(huán)（PLL）的輸出，PLL通常用于生成穩(wěn)定且頻率可調(diào)的時鐘信號；
一個門控電路的輸出引腳，例如時鐘復(fù)用器或時鐘門控的輸出。這些電路用于控制時鐘信號的路由和開關(guān)；
Clock Sink：
Clock Sinks是指所有接收時鐘信號的引腳，是時鐘樹的終點(diǎn)。
Clock Sinks可以是：
寄存器（觸發(fā)器FF或鎖存器latch）的時鐘輸入引腳；
IP核的時鐘輸入引腳，比如SRAM，這種我們也成為Macro單元；
主要輸出端口，比如時鐘信號需要從當(dāng)前模塊驅(qū)動到外部；

我們再來看一下Skew Group這個概念。我們有很多很多的Sink，我們將一部分Sink劃分為一個Skew Group，用于分析和控制Skew。默認(rèn)情況下，時鐘樹所有的Sinks屬于同一Skew Group。
然而，這些Sink也可以被劃分為幾個時鐘偏斜組，這樣可以更精細(xì)地控制時鐘偏斜。（有點(diǎn)像之前的Timing Group的概念）
此外不同時鐘的接收端可以屬于同一個時鐘偏斜組（例如，時鐘和生成的時鐘），這意味著它們在時鐘樹上可能共享相同的路徑或緩沖器，甚至一個接收端可以同時屬于多個時鐘偏斜組。

我們再來看幾個關(guān)于Pins的概念。
Stop Pins
時鐘樹的葉子節(jié)點(diǎn)，時鐘網(wǎng)絡(luò)將緩沖到停止引腳，但不會接著往下傳遞了；
所有時鐘接收端都是隱式的停止引腳，因此，按理說這些引腳需要進(jìn)行時鐘偏斜平衡/分析（隱式代表不要額外去聲明，與之對應(yīng)的我們可以定義顯式的停止引腳，比如一個反相器，我們不希望時鐘順著它接著往下傳遞了，就可以顯式的聲明出來）；
要在CCOpt中定義額外的引腳作為停止引腳，使用下圖中的命令；
Ignore Pins
本身是時鐘網(wǎng)絡(luò)上的引腳，但它們在任何時鐘偏斜組中都不會被視為時鐘接收端，因此也就不需要進(jìn)行時鐘偏斜平衡/分析；
時鐘網(wǎng)絡(luò)將緩沖到忽略引腳，但不會接著往下傳遞了；
Exclude Pins
與Ignore Pins相似，但時鐘網(wǎng)絡(luò)不會緩沖到Exclude Pins；
Through Pins
Through Pins是指那些本來會被視為Stop pins的引腳，但我們希望時鐘信號能夠通過它們傳播（用于緩沖和將引腳添加到時鐘偏斜組中）；
在Innovus的新版本中，沒有明確的命令來定義穿越引腳。只需將其稱為Ignore Pins；
簡單來說在時鐘樹綜合的過程中，Through Pins允許時鐘信號在不被視作最終接收端的情況下通過某些節(jié)點(diǎn)。這樣做可以保持時鐘網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性，同時允許在這些節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行緩沖和其他操作，以優(yōu)化時鐘網(wǎng)絡(luò)的性能。在Innovus的新版本中，不再需要顯式地定義穿越引腳，而是通過將它們標(biāo)記為忽略引腳來實(shí)現(xiàn)相同的功能；

我們再來看一個概念，Insertion Delay Pin，也可以叫做float pin。這個Pin角對應(yīng)Macro比如SRAM的時鐘輸入引腳。
這個引腳到其內(nèi)部的時鐘引腳還有一段邏輯。就比如下圖，其還需要X，這個時候如果我們要保證時鐘平衡的話。我們就應(yīng)該讓時鐘信號到這個Macro的時鐘引腳早一點(diǎn)，從T變成T-X。其寫法如下所示。

讓我們來總結(jié)一下上述的Pin角類型。Stop Pin非常好理解，就是終點(diǎn)，時鐘到這里就停下來了，不會接著傳了。Exclude Pin是完完全全可以忽視的Pin，什么規(guī)則都不用滿足。而Ignore Pin盡管叫這個名字，但還是要進(jìn)行DRV fixing的。

來看一下Clock Net的Routing問題。由于Clock nets對于信號完整性影響非常大，前面也已經(jīng)介紹過了。所以對待其相比對待別的Net，有額外的工作要做。
我們在時鐘樹綜合的時候要對其進(jìn)行Pre-route，來快速檢查一遍。此外還需要：
優(yōu)先選擇布線軌道：
為了減少電阻和電容，我們通常優(yōu)先選擇更高、更厚的金屬層來布線時鐘網(wǎng)絡(luò)。高層的金屬通常具有較低的電阻，而且與襯底的電容較小，這有助于提高時鐘網(wǎng)絡(luò)的性能。
屏蔽時鐘網(wǎng)絡(luò)：
屏蔽是一種常用的技術(shù)，用于減少時鐘網(wǎng)絡(luò)對其他網(wǎng)絡(luò)的干擾。通過在時鐘網(wǎng)絡(luò)周圍添加保護(hù)層或使用專門的屏蔽軌跡，可以減少電磁干擾（EMI）。
考慮在時鐘緩沖器旁邊添加去耦電容（DeCaps）：
去耦電容可以用來過濾時鐘緩沖器輸出端的噪聲，提高時鐘信號的穩(wěn)定性。這些電容通常放置在時鐘緩沖器的附近，以減少電源噪聲對時鐘信號的影響。

我們怎么在Innovus中布線時鐘nets呢？首先，既然這些nets很特殊，就不能用默認(rèn)規(guī)則，要使用非默認(rèn)規(guī)則即Non-Default Rules（NDRs）。比如double-width/double-spacing。
同時還需要指定Routing類型，定義首選的布線層和屏蔽技術(shù)。
在Innovus中，我們將時鐘網(wǎng)絡(luò)分為三種類型：
頂部（Top）時鐘網(wǎng)絡(luò)，即時鐘樹的初始分支，通常非常寬和高；
主干（Trunks）時鐘網(wǎng)絡(luò)，即時鐘樹的主要分支，也比較寬和高；
葉子（Leaf）時鐘網(wǎng)絡(luò)，即時鐘樹的底層，更接近邏輯單元。
綜上，我們將定義NDRs和布線規(guī)則，然后將它們應(yīng)用到時鐘網(wǎng)絡(luò)上。

我們來看一個具體的例子：
首先，定義NDR規(guī)則，比如Double width和Double Spacing，定義方式如下圖所示。這個規(guī)則的名字叫做CTS_2W2S。我們定義的規(guī)則允許我們指定時鐘網(wǎng)絡(luò)布線的特殊要求，例如更大的線寬、間距或特定的布線層。
然后我們創(chuàng)建用于時鐘樹綜合的routing type ，type名字叫做cts_trunk。在Innovus中，布線類型允許我們定義首選的布線層和屏蔽。這意味著在設(shè)計時鐘網(wǎng)絡(luò)時，我們可以指定時鐘信號應(yīng)該優(yōu)先在哪些金屬層上布線，以及是否需要采取屏蔽措施來保護(hù)時鐘信號免受干擾。此外routing type是基于我們上述定義的NDR的，也就是說routing type可以理解為在NDR上的進(jìn)一步規(guī)則定義。
最后我們上述定義的屬性作用在trunk類型的網(wǎng)絡(luò)上。這樣，Innovus就會根據(jù)定義的NDR和布線類型來布線時鐘網(wǎng)絡(luò)，確保時鐘信號的質(zhì)量和完整性。

在運(yùn)行時鐘樹綜合之前，對設(shè)計中的每個時鐘樹進(jìn)行分析是非常重要的。分析的目的是為了確定以下幾個關(guān)鍵方面：
確定時鐘樹的根節(jié)點(diǎn)，即時鐘信號的發(fā)散點(diǎn)，通常是一個時鐘生成器或時鐘源的輸出引腳。
確定時鐘信號應(yīng)該到達(dá)的所有時鐘匯（如寄存器、觸發(fā)器等）以及可能需要特殊處理的時鐘樹例外情況。
檢查時鐘樹中是否已經(jīng)包含了某些預(yù)存的單元，例如用于時鐘門控的邏輯單元。
確定時鐘樹是否收斂，即是否存在自身收斂的時鐘路徑（一個時鐘樹的多個分支最終匯合）或與其他時鐘樹重疊的時鐘路徑。
分析時鐘樹之間是否存在時序關(guān)系，例如跨時鐘偏斜要求。
確定DRV約束，包括最大扇出、最大轉(zhuǎn)換時間和最大電容等。
選擇合適的庫單元來構(gòu)建時鐘樹，這些單元應(yīng)該滿足設(shè)計的要求，并且與工藝相兼容。
確定布線約束，包括布線規(guī)則和金屬層的選擇。這些約束將指導(dǎo)CTS工具如何布線時鐘網(wǎng)絡(luò)，以確保信號質(zhì)量和滿足設(shè)計約束。
通過這些分析，設(shè)計者可以確保時鐘樹綜合的結(jié)果能夠滿足設(shè)計的時序和性能要求，同時還可以避免潛在的問題，如時鐘偏斜過大、時鐘抖動過多等。這有助于提高整個數(shù)字系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

我們看一下Clock Tree優(yōu)化前后的對比。包括但不限于使用Gate relocation、Buffer relocation、Buffer Sizing等技術(shù)。

我們再看看時鐘樹綜合以后，對時序的影響�？梢钥吹街罢J(rèn)為時鐘是理想的，現(xiàn)在引入了positive skew和negative skew。為了解決這一點(diǎn)，我們按理說就得對input delay和output delay，把這個因素給考慮進(jìn)來。
想象一下入口和出口有兩個Virtual寄存器，其Clock Skew存在不平衡。我們可以通過設(shè)置Input Delay和Output Delay，做到時鐘平衡。

我們看一下如何減少時鐘分布問題，下面的很多方法其實(shí)用的不太多，大家可以自己看看。

4、Clock Generation

前面講了這么多，我們來看看時鐘是怎么生成的。最簡單的方法就是用環(huán)形振蕩器，如下圖右上角所示。但這種方法雖然簡單，但不是很穩(wěn)定，很容易受到PVT的影響。
因此我們通常是在芯片外部使用專用的晶振電路產(chǎn)生時鐘，但這個片外時鐘只有一個，并且時鐘頻率很受限，如果要實(shí)現(xiàn)高頻和分頻呢？我們就需要使用片上的專用時鐘生成器，通常是PLL。

基于上述的方案的電路大概長這樣，可以看到我們實(shí)現(xiàn)了時鐘的倍頻和分頻。

PLL長什么樣呢？其大概長下面這個樣子。鎖相環(huán)基本的組成部件：檢相器 (PD)、環(huán)路濾波器 (LF) 和壓控振蕩器 (VCO)。作為一個負(fù)反饋系統(tǒng)，在反饋回路中VCO的輸出被分頻器分頻到低頻后，通過檢相器和參考時鐘比較產(chǎn)生相位差信號，接著該相差信號在前向通路上，被電荷泵和環(huán)路濾波器處理后產(chǎn)生電壓控制信號，從而反過來控制VCO的輸出。鎖相環(huán)鎖相環(huán)，關(guān)鍵是把相位給鎖住。

我們簡單看一下PD長啥樣。其輸入自然而然有兩個時鐘信號，我們假設(shè)一個是Ref，一個是F_IN。如果REF先來，那不就是慢了嗎，我們要把時鐘往前挪動。類似的如果F_REF先來，那就要把時鐘往后挪動。

電荷泵和積分器長下面這樣，我們已經(jīng)有了UP和DOWN信號。如果F_IN和F_REF一樣，那么就不需要充放電，V_C保持不變，輸出頻率也不變，否則就需要改變輸出頻率。

這個電壓就會用來控制Delay Line。我們看下圖，如果電壓不變，是不是Delay也就不變？如果電壓改變了，Delay-line的Delay也改變了，進(jìn)而影響到頻率。

我們把上面這個東西集成一下，就是VCO了。也就是壓控振蕩器。

5、Clock Domain Crossing

跨時鐘域可以說是面試必問的一個問題了。為什么要考慮跨時鐘域問題呢？其本質(zhì)是建立時間和保持時間的要求決定的。如下圖所示，DA到DB的時候，由于CLKA和CLKB是異步時鐘，其無法保證建立時間的要求，所以就會出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)。

我們看一下跨時鐘域主要的問題有哪些：
亞穩(wěn)態(tài)：
亞穩(wěn)態(tài)是指一個觸發(fā)器（flip-flop）的輸出在穩(wěn)定的高電平或低電平狀態(tài)之間的一種不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)異步信號在觸發(fā)器的建立時間（setup time）和保持時間（hold time）窗口內(nèi)發(fā)生變化時，就可能會出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)。亞穩(wěn)態(tài)可能導(dǎo)致的問題包括：
在扇出處產(chǎn)生高的傳播延遲。
在芯片內(nèi)產(chǎn)生高電流流動，可能會導(dǎo)致芯片損壞。
在扇出的不同部分出現(xiàn)信號的不同值
數(shù)據(jù)丟失：
數(shù)據(jù)丟失可能發(fā)生在源端產(chǎn)生新數(shù)據(jù)時，而目的端尚未捕獲前一個數(shù)據(jù)。在異步系統(tǒng)中，由于時鐘不同步，這種數(shù)據(jù)丟失的情況更為常見。
數(shù)據(jù)不一致
數(shù)據(jù)不一致性是指數(shù)據(jù)被延遲捕獲，導(dǎo)致多個相關(guān)信號處于不同的狀態(tài)。這種情況可能會在多時鐘域系統(tǒng)中出現(xiàn)，當(dāng)一個域中的數(shù)據(jù)更新速度與其他域不同步時，就會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不一致性。

通過同步器可以解決亞穩(wěn)態(tài)問題，通常采用雙DFF同步，其讓亞穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)的頻率變得非常低。值得注意的是其只是消除亞穩(wěn)態(tài)，并不能保證是0還是1。

同步器就足夠了嗎？并不是，同步器只解決了亞穩(wěn)態(tài)，沒有解決數(shù)據(jù)丟失問題和數(shù)據(jù)不一致問題。
以數(shù)據(jù)不一致為例，我們想象一下有多個bit，都采用同步的方式，其到達(dá)的時間有前有后，比如01變成10，采樣得到的可能是11（低比特還沒有采到變化以后的值）。
為了消除數(shù)據(jù)丟失，我們可以采取以下措施：
慢時鐘到快時鐘：如果數(shù)據(jù)從慢時鐘域傳輸?shù)娇鞎r鐘域，由于快時鐘域的時鐘周期較短，可以在多個周期內(nèi)采樣慢時鐘域的數(shù)據(jù)，從而不會丟失數(shù)據(jù)。
快時鐘到慢時鐘：如果數(shù)據(jù)從快時鐘域傳輸?shù)铰龝r鐘域，快時鐘域的數(shù)據(jù)需要在源端保持多個周期，以確保慢時鐘域有足夠的時間采樣到數(shù)據(jù)。
為了確保數(shù)據(jù)一致性，我們需要考慮更多的因素：
握手協(xié)議：通過握手協(xié)議，源時鐘域和目的時鐘域可以相互確認(rèn)數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好并被接收，從而確保數(shù)據(jù)的連貫性和一致性。
異步FIFO接口：異步FIFO可以在不同的時鐘域之間提供一種緩沖機(jī)制，確保數(shù)據(jù)按照順序傳輸，避免數(shù)據(jù)丟失和一致性問題。
即使不用異步FIFO，也可以單獨(dú)使用格雷碼，其可以減少在跨時鐘域傳輸時出現(xiàn)的數(shù)據(jù)不一致。但針對的是順序變化的數(shù)據(jù)才有意義，比如順序訪存地址。以上述的01變成10為例，格雷碼就將其轉(zhuǎn)換成了01變成11。這樣你要么采到01要么采到11，只會采到舊的值或者新的值，而不會采到錯誤的值。還可以使用Mux實(shí)現(xiàn)跨時鐘，具體的可以搜相關(guān)資料了解一下。

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