第I章：引言

　　好的時鐘樹對整個芯片的建立和保持時序收斂、功耗及魯棒性均較為有益。由于我們芯片是層次化、高速、數(shù)百萬門極電路的設計，因此對時鐘樹有許多特殊要求。在本文中，我們介紹了一種‘如何使用Talus CTS引擎來設計可滿足特定要求的時鐘樹’的方法。第II章描述了高速VLSI芯片的設計和時鐘樹要求。第III章說明了時鐘樹創(chuàng)建的詳細實施過程。第IV章介紹了來自我們親身CTS體驗的最佳實踐。第V章總結了我們對Talus CTS的使用。

第II章：設計與時鐘樹要求

　　我們的芯片以500+ MHz的高頻率工作，包含有超過千萬個門極電路。芯片的設計采用的是深亞微米工藝技術。芯片包含了如PLL等模擬設備以及數(shù)百萬個SRAM和軟宏（soft macro）；有數(shù)十個時鐘域。對于一個有著如此規(guī)模的芯片，下述幾個是必須要達到的關鍵目標： 1. 建立時序收斂；2.充足的保持時序容限（margin）以實現(xiàn)良率；3. 快慢兩個角點中時鐘樹的平衡；4.最小化時鐘網(wǎng)絡延遲以減少抖動，實現(xiàn)芯片可靠性；5.最小化時鐘網(wǎng)絡功耗以降低整個芯片的功耗；6. 最小化時鐘網(wǎng)絡上串擾耦合，達成時序收斂和良率。

第III章：實施

　　本章說明了采用Talus創(chuàng)建時鐘樹的幾個主要步驟。除了使用Talus內置命令以外，我們也可采用半定制腳本來增強某些功能。通過Talus與半定制腳本的結合使用，我們可在時鐘樹設計上獲得非常好的結果（QOR）。

1. 克隆時鐘門控(ICG)

　　ICG克隆是時鐘樹創(chuàng)建成功的關鍵，它對時序、時鐘樹結構和功耗均有巨大影響。ICG單元可影響到時鐘路徑和數(shù)據(jù)路徑。如何克隆和設置它們至為重要。如果ICG單元是設置在時鐘樹的頂層，那么它可降低時鐘網(wǎng)絡功耗；原因在于當ICG被禁用時，ICG后的子樹也將被完全關閉。不過，ICG單元設置在時鐘樹的較高層會使得ICG的enable引腳上的建立時序更難以達成。因此它算是時序與功耗間的一種折衷方案。好的ICG克隆應能夠最小化時鐘樹功耗，同時還不會引入無法解決的時序問題。Talus提供了兩種ICG單元克隆方式：一種是“run route clock”期間的內置引擎；另一種是獨立ICG克隆。從我們的經(jīng)驗來說，獨立ICG克隆可提供更好時序和樹結構，同時它對芯片功耗問題也很有幫助，設計師在如何克隆ICG單元的方式上也擁有更多的控制和配置能力。

　　在我們的設計中，我們通過使用腳本來預設ICG的enable引腳上的建立時序容限和時鐘引腳上的轉換率以及門控單元最大扇出數(shù)。容限是為了彌補時鐘樹創(chuàng)建后ICG單元和常規(guī)觸發(fā)器間的偏移，能夠降低ICG單元CTS后時序變壞的可能。結合使用這些約束，Talus在ICG克隆上可起到很好作用。Talus極具智能，可有選擇地克隆在E引腳上建立時序棘手的ICG單元，同時讓ICG單元保有未被克隆時的良好時序余量（slack）。那些未被克隆ICG單元能夠設置于時鐘樹較高層，這對降低動態(tài)功耗來說較為有益。

　　圖-1顯示了Talus “run gate clone”后的結果。我們能夠看出Talus基于觸發(fā)器的位置自動將其扇出的觸發(fā)器分成幾組。由于它同時將RC考慮在內，因此ICG克隆后，引腳轉換率仍是不錯。有時，我們會發(fā)現(xiàn)觸發(fā)器分組方式并非最佳，導致克隆ICG單元的布局也并不是最好的，那么我們可以應用一些定制腳本對這些觸發(fā)器進行重新分組并優(yōu)化布局。

圖-1

　　表-1顯示了“run route clock”期間的自動克隆與獨立ICG克隆間比較。我們對幾個重要的時鐘網(wǎng)絡標準進行了比較。結果很容易就判定“run route clock”期間的自動克隆所產生的插入延遲更長、樹層更多以及葉轉換（leaf transition）速度更慢。

2.以最短延遲創(chuàng)建平衡的時鐘樹

　　在時鐘綜合之前，我們需要通過“force plan clock”來定義時鐘約束。

force plan clock $m –balanced_routing –buffer –inverter –max_skew

　　我們也需要在創(chuàng)建時鐘樹前對指定的時鐘采取額外的控制。為了在快慢兩個角點上獲得平衡的時鐘樹，考慮RC分布的同時平衡層數(shù)差不多的時鐘樹至為重要。互連線延遲的伸縮范圍隨著橫跨各個角點金屬層的不同而有所不同。Talus提供了一個選項“-balanced_routing”，可指出以平衡方式執(zhí)行的時鐘布線，從而滿足了這種要求。
我們也通過下列命令將時鐘網(wǎng)絡的布線層限制于metal4和metal5：

force model routing layer $m lowest metal4 –net_type clock
force model routing layer $m highest metal5 –net_type clock

　　Talus遵從上述這些指令來創(chuàng)建時鐘樹；多數(shù)的時鐘網(wǎng)絡是在metal4和metal5進行的布線。據(jù)實驗結果顯示，如樹層、時鐘樹延遲和葉轉換等大多數(shù)樹結構在起始樹創(chuàng)建后就已形成。它對于評估樹質量并決定是否需要向前移動來說至為重要。同時，它也能幫助解決時鐘樹問題并加速迭代。Talus提供了一整套的樹分析命令以及功能強大的GUI；但分析工作主要針對整個時鐘樹或整個時鐘域而進行；它并不支持對子分支樹結構和時序的分析。為了分析時鐘樹的詳細信息，我們開發(fā)了一些腳本以依據(jù)分支和域報告時鐘樹。對于時序收斂，我們關心的是葉轉換（leaf slew）直方圖和每個時鐘域的最大插入延遲；對于時鐘分布，我們關心的是樹層、緩沖區(qū)/觸發(fā)器/鎖存器分布。

　　下方表-2和表-3是一時鐘分支的時鐘分析報告樣本。從結構報告，我們不難發(fā)現(xiàn)所有觸發(fā)器都在第7層和第8層。這對于時鐘樹的魯棒性和多角時序關連來說非常重要。葉轉換也很不錯。平均轉換率完全符合我們的設計要求。

　　據(jù)數(shù)據(jù)顯示，通過定量的控制和數(shù)據(jù)庫準備工作，“run route clock”能夠處理復雜的時鐘樹結構并產生優(yōu)秀的結果質量。

3.調整時鐘樹以減少偏移

　　調整時鐘樹是一項棘手的工作。首先，它要視起始時鐘樹的質量而定；其次，對它有一定要求，要求在盡可能少增加樹延遲和面積的同時達成偏移目標。時鐘偏移會影響建立和保持時序，最終影響整個芯片的時序收斂。其基本目標是要在不影響整體結構并保持轉換率等標準的前提下插入緩沖器以調整時鐘偏移（clock skew）。

　　Talus使用“run gate clock”來調整時鐘樹。如只針對偏移目標，這個功能的作用并不能很好發(fā)揮出來。尤其對于有些小分支，Talus可能會增加極長的緩沖鏈以平衡偏移，緩沖器間的距離很小。單元延遲在這些緩沖鏈的分支延遲中占主要部分；而其它常規(guī)分支延遲則是互連線延遲占主要部分。這可能導致橫跨不同角點的巨大偏移問題。我們開發(fā)了一個半定制腳本來指導Talus應對這個問題。它可限制用于偏移平衡的緩沖器類型、緩沖器間線長距離以及新網(wǎng)絡的布線方式。通過這些額外的控制，我們通常可獲得100ps全局偏移和僅100ps左右的時鐘樹延遲增加。

第IV章：來自CTS實驗的最佳實踐

1. 采用適當葉轉換(leaf slew)來創(chuàng)建時鐘樹

　　表-4顯示了葉轉換是如何影響到時序和功耗。它依據(jù)不同葉轉換時間對建立時序、保持時序和功耗進行了對比；當轉換時間的增加、建立和保持時序總負余量提高時很容易就可發(fā)現(xiàn)這種情況。轉換時間快對時鐘網(wǎng)絡功耗也較為有益。隨著轉換時間的提高，短路功耗會相應增加。它也是轉換目標與樹面積間的一種折衷權衡。過緊的轉換會導致時鐘樹面積、層數(shù)和延遲的提高。它需要多次迭代的實驗來才可獲得最佳效果。
 

2. 指定緩沖器/反向器類型以指導Talus，實現(xiàn)更好QOR。

　　Talus的CTS性能易受到時鐘單元類型的影響。如果不加以適當約束，Talus呈現(xiàn)給您的將會是具有長插入延遲的差的樹結構。驅動能力弱的時鐘單元也同樣用于時鐘樹，這可能導致不同角點時序水平的顯著降低。表-5是兩個CTS結果間相同分支的比較：一個有時鐘緩沖區(qū)和轉換器控制，另一個則無。從表中，您可看出，通過采用時鐘單元約束，Talus可創(chuàng)建更好的時鐘樹。
 

3. 優(yōu)化時鐘布線。

　　我們通常期望時鐘網(wǎng)絡可采用更高優(yōu)先級、更好布線類型來進行布線。但光是這樣還不夠，特別是在深亞微米技術中，串擾效應對整個芯片的時序和良率都有重大影響。時鐘信號通常以極高速度地運行，切換的頻率比數(shù)據(jù)信號的都要高。因此如何隔離時鐘線和常規(guī)信號就顯得至為重要。首先，我們要盡可能多地在厚層上進行時鐘信號布線。厚層的單元電阻和接地電容較低。顯而易見，分配長的時鐘網(wǎng)絡到厚層中并采用更寬的寬度和更大的空間也可改善時鐘轉換。Talus可定義非默認規(guī)則并設置首要層從而實現(xiàn)它。出于對有些關鍵時鐘的考慮，推薦防止串擾的方式就是用接地信號對時鐘線進行屏蔽(shield)。由于非默認規(guī)則布線對可布性有影響，因此它是時序與布線間一種折衷方案。在我們的設計中，我們根據(jù)線長、驅動單元類型及等級來定義不同規(guī)則。最終，它可使得時序網(wǎng)絡更具魯棒性。

第V章：結論

　　在我們的案例中，Talus CTS引擎能夠處理非常復雜的樹結構。它提供了充足的CTS行為配置選項。CTS引擎的核心十分強大，足以創(chuàng)建一個平衡的基本時鐘樹。但如前幾章所講述的，它也是有些局限性。幸運的是，基于TCL環(huán)境和易于訪問的DB，我們開發(fā)了一些功能強大的半定制腳本來指導CTS引擎并增強其性能。通過這種方式，我們的大部分設計要求都可得到滿足。