评价时钟树质量的方法

 

 

时钟树综合，通常我们也叫做CTS。时钟树综合就是建立一个时钟网络，使时钟信号能够传递到各个时序器件。CTS是布局之后相当重要的一个步骤，如何评价一个时钟树的好坏，这个问题可以每个人心中都有不同的答案。

 

通常各个公司已经约定俗成了一套评价时钟树的方法，我们也称为clock tree metrics。包括以下几点：时钟的传播延迟（Latency），时钟偏差（Skew），时钟转换时间（transition），时钟不确定性（ uncertainty），时钟的级数（level）……

 

这些metrics保证了时钟的完成性，如何在这些metrics中寻找一个最佳方案，也就保证了时钟树的好坏。

 

时钟的传播延迟（Latency）

 

时钟传播延迟Latency，通常也被称为插入延迟（insertion delay）。主要指从Clock源到时序组件Clock输入端的延迟时间。它可以分为两个部分，时钟源插入延迟（source latency）和时钟网络延迟（network latency）

 

source latency：主要指从clock source端到clock定义端的延迟，即是时钟源(例如PLL)到当前芯片时钟根节点(clock root pin)之间的延迟。

 

network latency：主要指从clock定义端到时序器件的clock pin端的延迟。

 

以下两张图分别定义了片上（on chip）和片外（off chip）中clock latency的描述

 

 

那latency值有什么用呢？其实这相当于一个target值，CTS的engine会根据你设置的latency值来插入buffer（当然只是对network latency操作），做出一个接近于你设定的值，可能多一点，也可能少一点。latency值的大小直接影响着clock skew的计算和固定。因为我们的时钟树是以平衡为目的，假设你对一个root和sink设置了1ns的latency值，那么对另外的几个sink来说，就算你没有给定latency值，CTS为了得到较小的skew，也会将另外的几个sink做成1ns的latency。过大的latency值会受到OCV和PVT等因素的影响较大（因为有time derate的存在）。

 

时钟的偏差（skew）

 

时钟偏差（skew），这是CTS中相当重要的一个概念。在CTS中，由于时钟到每个寄存器的路径延迟不一样，造成信号到达 clock pin 的时间也不一样，寄存器也不会同时翻转。Skew 的定义就是最长路径延迟减去最短路径延迟的值。一直以来，Skew都是衡量时钟树性能的重要参数，CTS的目的就是为了减小skew。

 

Skew的类型分为很多种，根据clock和datapath的方向，skew可以分为positive skew和negative skew。如下图所示：

 

 

对于positive skew，clock和data path在相同方向上。反之对negative skew来说，clock和data path在相反方向上。那它们对我们的design有什么影响呢？我们来看一下setup和hold的计算公式（这个公司大家应该很熟悉吧）：

 

我们可以得到以下结果

对于positive skew来说，它可以减少T的时间，相当于提升芯片的performace。但是它的hold时间会变得更加难以满足

 

对于negative skew来说，它的hold时间更加容易满足，取而代之的是，它会降低芯片的性能。

 

还有另外一种skew的分类方法，是我们更为常见的，根据时钟域以及路径关系， skew 可以分为 global skew ， local skew ， interclock skew。

 

Global skew 是指，同一时钟域，任意两个路径的最大 skew ，如下图所示。CTS时，工具更关注的是global skew, 会尽可能地将global skew做小

 

 

Local skew 是指，同一时钟域，任意两个有逻辑关联关系的路径最大 skew ，如下图所示，我们在分析timing的时候，更多地是关注local skew

 

 

interClock skew 是指，不同时钟域之间路径的最大 skew，如下图所示：

 

 

另外还有一种比较特使的skew就是现如今用得较多的useful skew，它也是ccopt这么红火的一个特色。大概说一下useful skew的概念。

 

如下图：时钟周期为 10ns ，各时钟路径延迟如下：可以看到有一条路径的 slack 为 -1ns ，说明这条路径违规。可以看到与这条路径相关的 skew 是 T3-T2= -1ns 。

 

 

 下面我们利用 useful skew 向前面一个 slack 比较充裕的路径（slack=2ns）借点 time ，来修正现在这条路径。如下图：

 

 

这就是 useful skew 的作用，可以向前，或者向后借time来修正 violation。

 

时钟转换时间(transition time)

 

时钟转换时间clock transition time ,也称为clock slew。通常是指电压从10%VDD上升到90%VDD所需要的时间，或者是从90%VDD下降到10%VDD所需要的时间，上升和下降时间过长意味着电路的速度很慢。如下图所示

 

 

在sdc中，用以下命令来限制slew大小

set_max_transition 0.1 -clock_path[all_clocks]

 

对CTS来说，这也是一个target值，当你设定了一个slew target后，CTS engine会通过插入buffer或者upsize等操作，尽可能地去满足整个target值。当然，slew也不是越小越好，过小的slew会导致CTS阶段在clock path上插入过多的buffer，从而影响到skew的balance以及功耗和面积。

 

时钟不确定性(clock uncertainty)

 

定义了Clock信号到时序器件的Clock端可能早到或晚到的时间。主要是用来降低时钟抖动jitter对有效时钟周期的影响。值得注意的是，在setup check中，clock uncertainty是代表着降低了时钟的有效周期；而在hold check中，clock uncertainty是代表着hold check所需要满足的额外margin。

 

来看下面一条reg2reg path. 对照着如下时钟波形图。可以写出下面的约束。

 

 

在pre-CTS的时候，我们将时钟的不确定性设定为target的skew和jitter值之和来模拟真实的时钟；而post-CTS之后，时钟树propagate delay已经确定，skew真实存在，所以uncertainty就是时钟的真实抖动值。因此preCTS的target skew不能设置的太大或者太小，这样会造成preCTS和postCTS的correlation不好。总结一下：

在pre-CTS中，

setup的clock uncertainty = jitter + clock tree skew

hold的clock uncertainty = clock tree skew

在post-CTS中，

setup的clock uncertainty = jitter

hold的clock uncertainty = 0 

 

时钟树级数

 

时钟树其实是由buffer一级一级串行级联下去组成，每一个分结点就化分成一级，如下图所示

 

通常来说，我们期望时钟树的级数越少越好，因为这样tree上的common path最长，受到OCV和PVT因素的影响也最小，时钟的性能也最好。但是，这样情况下tree很难去生长完成，并且会导致过多的fanout，导致负载过大，延迟变差。因此这也是一个trade off 的过程。

 

评价时钟树质量，可以看主干分岔点是否过早、关键寄存器的级数是否最少且Size合理、Leaf寄存器分组是否合理，当然skew，area，power也是很重要的啦~
 

　　审核编辑：汤梓红