Clock Gating的特点、原理和初步实现

当下这社会，没有几万个Clock Gating，出门都不好意思和别人打招呼！

现在的深亚纳米工艺的设计中，低功耗已经是一个日渐总要的主题了，尤其是移动市场蓬勃发展起来之后，功耗的要求越来越严格，据传，在高级的手机系统开发的过程中，系统架构的设计，已经精确到每一个服务模块的毫安时（mAH）的级别，所以如果你的芯片功耗控制不下来，很有可能会被手机生产厂家踢出局。

在低功耗的世界里，我们有很多方法可做，譬如提高设计工艺（工艺节点越高，功耗就越小）UPF策略，代码优化等等。其中的clock gating方法就是一个解决内部功耗的有效办法

Clock gating从原理上讲，就是在FF的clock 的输入通路上，加入额外的逻辑，来使得FF在不发生变化的情况下，clock端没有反转，如果不采取这个策略，那么FF的clock pin是长时间翻转的，在D/Q都不翻生变化的时候，带来了额外功耗消耗，采用clock gating就可以有效境地这种损耗

从用途上讲，一般将Clock gating分为如下两类：
1：RTL实例化的clock gating cell
在很多的前端设计中，我们都会认为的实例化primitive clock gating cell，这里是按照前端的设计要求来的，一般这样的GC都是接近于clock 的源头，譬如一个模块的输入clock，我们使用一个实例化的GC来作为这个clock 的控制端，在不需要的时候，可以直接使用寄存器把他关断，从而达到节省模块级power的目的

这种GC结构，在结构上后端是不用干预的，但是由于这种GC的fanout 都很大，在某种情况下可能会引起比较悲观的setup violation。这个我们会在后边仔细描述
2：综合工具推断出（inferred ）clock gating cell
这种推断出的CG是基于综合器对RTL的理解，首先，我们的设计需要遵循一定得大妈风格（coding style），这是工具分析的基础，我们来看下面这段代码

蓝色箭头所指是clock的edge检测，这里是一个if 语句的开始，而后如橙色箭头所指，在clock edge的这个function里边，使用EN来做判别，如果EN为1的时候，产生赋值操作，这是一个标准的带同步enable的寄存器语法。
综合器会按照约定的规则来解析rtl code，然后产生对应的网表。按照通常的综合结果（compile_ultra），会得到下面这个结果

模块输入端的clock port会直接连接到所有的FF clock pin 上边，通常的器件库里边，没有带EN端的DFF，这是一种简化设计，因为所有的FF EN pin，都可以和D pin做组合逻辑，从而达到控制输出的结果。从土里可以看到，这里的EN也是被拉到了FF’D pin前级的组合逻辑的输入端，从而达到控制FF输出的结果。

这个时候，是没有clock gating的设计的，工具严格遵守RTL的设计产生了这段网表结构。

如果在综合的时候，打开inferred clock gating 选项（compile_ultra –gate_clock），这个时候会得到下面的这个结构。

这个时候的网编结构发生了变化，在紧跟clock port的后面，多了一个CG，EN的port 从之前的链接到各个FF 的D pin，到现在只连接到了clock gating cell的en pin上，通过控制FF的clk pin，来达到仅在EN使能的时候翻转clock来刷新FF的输出，从而达到省电。

由于在没有使用CG之前，由于FF需要不停地刷新，DC为了保障FF的输出在EN端非使能的时候保持当前状态，所以一定有一条从Q到D的回路来保证FF的输出保持不变，类似下图

FF’D pin 前面的是一个四输入与或门，在EN为0的时候，FF会把Q的值反复刷新，尽管输出Q不改变，但是短路功耗是少不了的。
在使用了gate clock 以后，FF的结构变成了

可以看到，这里的FF的D输入端，变得更为简单了，以为所有前后级都被挂载到了同样的CG下面，只有当CG有输出clock的时候，这些FF才进行工作，工具就不用创建那些组合逻辑来考虑EN不使能的情况了。
就相同设计的面积比较，采用inferred CG策略的结果还可以节省面积

Area with CG: 8.0997
Area without CG: 8.3790

在一个3M gate-count的完整设计里边，可以看到，当打开gate_clock选项的时候，会增加大约7k的CG cell，时序逻辑大概增加了6%的面积，但是整个设计的std-cell的面积（组合加时序）反而降低了4%，从这方面看，综合器的这个功能对绝对面积和功耗都是有贡献的

讨论完CG的好处后，我们再来看一下Clock gating 的类别：

先看一下这个表格。通常上来讲，CG分为两类，一种是带latch的，另外一种是不带latch的，由组合逻辑构成。

这里的模型规则如下

Posedge：
o Latch based：clk负沿敏感的latch
o None-latch：非或门结构的CG
Negedge：
o Latch based：clk正沿敏感的latch CG
o None-latch：与门结构CG
Pre-control：
o Latch based ： latch的EN输入前插入一个或门，从而带入TE的管控
o None-latch： 在组合逻辑的EN输入侧插入一个或门，从而带入TE的管控
Post-control：
o Latch based ： latch的output输出后插入一个或门，从而带入TE的管控
o None-latch： 不支持
Observe:
o 再有pre/post control的设计中监控与门中非TS管控测的信号

借用新思的电路图来给大家详细的示例（侵删）

由于clock是敏感信号 ，一般推荐使用latch-based gating CG，这要可以有效地过滤EN上的毛刺。

有了上边的知识，那么工具是如何识别和插入CG的的呢？

在综合的时候，需要在你的综合环境里边定义工具自动插入时可已使用的CG cell类型，然后唤起compile_ultra命令即可完成CG插入：

set_clock_gating_style -pos {integrated:CG_CELL_NAME} -control_point before -num_stages 4
compile_ultra –gate_clock

用户可以在compile结束后，使用report_clock_gating命令来查看数据库里边的CG情况。
这个报告很有意思，他可以打印出数据库里所有被CG控制的FF的情况，同时也会列出来没有被CG控制的FF的情况，并且会生成一些比率报告，有兴趣的同学可以仔细了解一下。

此外，这里边的CG_CELL_NAME，这个cell是一个真实存在在你的std-cell库里的实际CG，并且这个lib_cell必须要有一个特殊的属性：

DC只有看到这个属性的时候，才会认为这是一个真实可信的CG。而后按照他后边属性说明来进行inferred CG insertion，后面的属性无外乎我们前面表格里边罗列的那些属性，具体名词如下：

当然，DC也支持一些组合逻辑的CG的创建，如果你使用如下命令，DC会插入相应的none-lath结构的CG

set_clock_gating_style -pos {buf nand inv}

在同步设计的架构下，不推荐使用这样的gating 结构，由于这是拿两三个苏合逻辑器件搭乘的，后期的timing closure是很难做的，推荐使用library里边latch-based的CG。

上边用了一定的篇幅讲述了一下CG的特点、原理和初步实现。但是这还没有结束，应为还有layout的实现要考虑

Clock_gating作为clock tree的一部分，在做layout的时候，有更多的因素需要考量
首先，所有的latch based CG都有一组setup/hold timing arc，就是clk –> EN的timing check
其次，在CTS的时候，clock-gating被当作了一个none-stop pin而非一个stop pin如下图示例：

工具会balance 后面四个被gating 驱动的FF（stop pin）之间的skew，但是CG是它们的clock 的driver，不难想象，CG EN的latency（T_latch）一定小于CG fanout FF的clock latency（T_FF），这是一个永远不能改变的事实。在某些情况下会带来CG setup violaoiton，如下图：

如果有一条正面这样的data path存在，那么launch clk (FF) 一定是晚于capture clk （CG），在高频和复杂datapath的情况下，这样的timing是很难修复的
所以要在CTS之前解决或者简化这个问题，

解决这个问题的关键就是，让CG clock latency（T_latch）和fanout FF clk latency（T_FF） 尽可能的足够小。

要让前后两级的clock latency的差值足够小，其中有一个方法就是让他们的摆放足够近，在综合结束后，通过report_clock_gating的report可以看到所有CG和他的fanout的列表，这个时候，我们通过第一版的CTS结果，可以评估出那些FF-CG的timing是有困难的，这些FF以及他们的CG使用relative placement的方法，让工具在place 的阶段就把他们摆放的足够近，从而在物理距离上来解决这个CG 的setup 问题。