一種高速低噪聲的發(fā)散型時鐘樹結(jié)構(gòu)?

吳雨臻 袁書偉 鐘傳杰

（江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院 無錫 214122）

1 引言

隨著半導(dǎo)體制造工藝的不斷發(fā)展，芯片集成度越來越高，規(guī)模越來越大，門級數(shù)目越來越多［1］。時鐘樹結(jié)構(gòu)的設(shè)計成為數(shù)字后端設(shè)計的重中之重。時鐘樹綜合（CTS）的主要目的是使時鐘偏差、相位延時盡量最小化，最大限度地為時序收斂服務(wù)［2］。在時鐘網(wǎng)絡(luò)中，通常應(yīng)用EDA工具生成二叉型時鐘樹結(jié)構(gòu)［3］。

這種方法實現(xiàn)時間短，但使用的緩沖器較多，時鐘級數(shù)與時鐘延時較大，影響時序收斂［4］，更重要的是OCV（On Chip Variation）難以避免會發(fā)生［5］。在實際情況中，芯片級（TOP）設(shè)計中時鐘樹網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載包括觸發(fā)器與模塊單元（Block）。通常負(fù)載為模塊單元的時鐘路徑延時相對很大，最終導(dǎo)致時鐘樹的最大延時過大，造成很大的時鐘偏差［6］。同時，在芯片級設(shè)計中，芯片面積很大，時鐘路徑互連線很長，使用傳統(tǒng)CTS方法生成的時鐘樹不能提供很好的時鐘傳輸速度，也難以避免噪聲的影響。

針對大規(guī)模芯片級后端設(shè)計，本文提出了一種發(fā)散性時鐘樹結(jié)構(gòu)，利用該方法可以解決傳統(tǒng)CTS產(chǎn)生的芯片級時鐘樹中時鐘繞線過長、噪聲過大等缺點，得到更小的時鐘延時與更小的時鐘偏差，以滿足時序要求。

結(jié)果表明，在芯片級設(shè)計中，通過該方法實現(xiàn)的時鐘樹比傳統(tǒng)二叉樹型時鐘樹減少了27%的時鐘延時和22%的時鐘偏差，且大幅度減少了59%的串?dāng)_噪聲，從而大量減少時序違例的數(shù)目。

2 發(fā)散型時鐘樹結(jié)構(gòu)簡介

局部的發(fā)散型時鐘樹結(jié)構(gòu)如圖1所示，即使用驅(qū)動能力強大的多級驅(qū)動器將時鐘信號由時鐘源點推至芯片中心，再由該點針對負(fù)載分布進行時鐘發(fā)散，將芯片分為若干區(qū)域，各區(qū)域分別實現(xiàn)負(fù)載為觸發(fā)器的二叉樹時鐘樹與多級驅(qū)動器直接驅(qū)動負(fù)載為模塊單元的時鐘樹相結(jié)合的方法。

3 發(fā)散型時鐘樹結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

圖2為發(fā)散型時鐘樹結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計流程。

在完成芯片的模塊布局和標(biāo)準(zhǔn)單元放置以后，計算時鐘傳輸路徑的距離，根據(jù)多級驅(qū)動的驅(qū)動能力，每隔一定距離插入多級驅(qū)動以推動時鐘信號，以此保證時鐘信號具有較小的傳輸延時。將時鐘信號推至芯片中心點后，根據(jù)負(fù)載情況對芯片進行區(qū)域劃分，同樣根據(jù)多級驅(qū)動的驅(qū)動能力來決定一個多級驅(qū)動能驅(qū)動的時鐘路徑數(shù)目，將時鐘信號分別傳輸至不同的區(qū)域。在時鐘信號到達(dá)各個區(qū)域之后，對不同類型的負(fù)載進行分離處理。模塊單元負(fù)載采用直接由處于各個區(qū)域點的多級驅(qū)動器直接驅(qū)動的方法；觸發(fā)器負(fù)載則采用傳統(tǒng)的二叉樹型時鐘樹結(jié)構(gòu)，以此降低時鐘延時，平衡負(fù)載類型不同所造成的時鐘偏差。

4 發(fā)散型時鐘樹結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)

本文以工程編號為MD-GRAPE的芯片級模塊為例，實現(xiàn)發(fā)散型時鐘樹結(jié)構(gòu)。該芯片采用TSMC40nm工藝，芯片尺寸為18000μm×18000μm，主時鐘SCLK的工作頻率為600MHz。

4.1 創(chuàng)建多級緩沖器

芯片級設(shè)計面積巨大，時鐘緩沖器需具有很大的驅(qū)動能力，多個緩沖器并聯(lián)組成的多級驅(qū)動器可以提供較大的驅(qū)動能力，以此推動時鐘信號。

本設(shè)計選擇了一種由驅(qū)動能力和面積相對較大的CKBD24BWP緩沖器所組成的多級驅(qū)動器。典型的多級驅(qū)動器為二級驅(qū)動器，由一個第一級CKBD24BWP緩沖器推動4個次級CKBD24BWP緩沖器組成。

CKBD24BWP單元的時序信息庫中上拉轉(zhuǎn)換組（rise_transition_group）如圖3所示。

通過查閱TSMC提供的靜態(tài)時序分析（STA）指導(dǎo)文檔可知，TSMC40nm工藝對于時鐘路徑上的最大電平轉(zhuǎn)換時間約束為150ps，但對于芯片級設(shè)計而言，時鐘樹級數(shù)相較于模塊級設(shè)計而言通常會更多，各級單元的電平轉(zhuǎn)換時間會在更長的時鐘路徑上疊加，使芯片級的時鐘延時相比于模塊級設(shè)計而言更大。通過反復(fù)試驗比較，在芯片級設(shè)計中，當(dāng)時鐘路徑最大電平轉(zhuǎn)換時間控制在50ps以下時，時序能夠達(dá)到可接受的范圍。通過對比上拉轉(zhuǎn)換組信息可知，第五行第五列，即輸入電平轉(zhuǎn)換時間約為55ps，輸出電平轉(zhuǎn)換時間約為43ps時，比較符合設(shè)計要求。此時每個CKBD24BWP緩沖器可驅(qū)動的負(fù)載電容為0.1265pF，即每個第二級緩沖器數(shù)目為4的多級驅(qū)動器可驅(qū)動電容約為0.506pF的負(fù)載。

4.2 傳輸時鐘信號至中心點

主時鐘SCLK由PLL_SCLK的PLL_SCLK/FOUTPOSTDIV輸出端輸出，距離芯片中心點約15000μm。為減小時鐘延時、降低時鐘偏差，首先需要將時鐘信號傳輸至芯片的中心點。

由于多級驅(qū)動器需要驅(qū)動較強信號，為防止電遷移效應(yīng)，多級驅(qū)動器選用線寬為1μm的互連線，同時信號繞線占用M2～M7層大量的繞線資源，容易造成串?dāng)_，因此，選用繞線資源更足的高層金屬層M8、M9用于時鐘走線，不同層間利用多通孔相連，以保證信號傳遞的可靠性［7］。

目前后端設(shè)計通常使用Synopsis公司的EDA工具PrimeTime進行時序分析。在TSMC40nm工藝的設(shè)計中，通常約定不同單元之間互連線長度需小于 4000μm，若互連線長度超過 4000μm，通過PrimeTime進行時序分析產(chǎn)生的誤差將會超過可接受的范圍。

在PrimeTime使用report_delay_caculation命令得知，每1000μm線寬為1μm的互連線負(fù)載電容值約為0.120pF，即每4000μm的互連線電容約為0.480pF，即單個典型的多級驅(qū)動器可驅(qū)動長度約為4000μm的線寬為1μm的互連線。因此每4000μm插入一個多級驅(qū)動器，使用4個典型多級驅(qū)動器將時鐘信號傳輸至芯片中心點。

4.3 時鐘信號發(fā)散

將時鐘信號傳輸至芯片中心位置后，根據(jù)芯片的負(fù)載分布情況對時鐘信號進行發(fā)散，即通過多個多級驅(qū)動器將時鐘信號推至不同的區(qū)域。時鐘發(fā)散的主要目的是將時鐘信號由高層金屬層更快的傳輸至距離負(fù)載更近的位置，降低時鐘延時，減小互連線之間的串?dāng)_噪聲。

多級驅(qū)動器所驅(qū)動的總電容量包括負(fù)載電容、互連線電容以及寄生電容的總和［8］。在深亞微米設(shè)計中，較長互連線的負(fù)載電容已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)單元和宏單元的負(fù)載電容，成為負(fù)載總電容的主要組成部分［9］。通過查找時序信息庫（lib）文件得知，芯片級設(shè)計中的模塊單元時鐘端輸入電容約為0.02pF～0.04pF，標(biāo)準(zhǔn)單元時鐘端輸入電容約為0.003pF～0.005pF，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于互連線的電容。因此，在進行時鐘發(fā)散時，各區(qū)域距離芯片中心點時鐘源點的距離是主要需要考慮的因素。

根據(jù)前后級單元互連線長度不超過4000μm距離的設(shè)計規(guī)則，將時鐘信號由芯片中心位置傳輸至各區(qū)域負(fù)載周圍的時鐘路徑節(jié)點。為平衡時鐘延時，降低時鐘偏差，在對時鐘信號發(fā)散結(jié)構(gòu)設(shè)計時需遵循以下原則：1）每一條由時鐘源點至各分支終點的路徑上的多級驅(qū)動器數(shù)目必須一致；2）單個分支終點多級驅(qū)動器距其不同負(fù)載的距離的均方差盡量??；3）不同分支終點的多級驅(qū)動器距其負(fù)載最大距離之間的均方差盡量小。

時鐘發(fā)散后的時鐘結(jié)構(gòu)如圖4所示。時鐘信號由芯片中心點M點通過Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三點的多級驅(qū)動器傳輸至A、B、C、D四個點的多級驅(qū)動器，再分別傳輸至各區(qū)域總計16個時鐘分支終點。

完成時鐘發(fā)散后，需要對各分支路徑上的多級驅(qū)動器進行驅(qū)動能力調(diào)整，以平衡各路徑的傳輸延時。芯片中心點的多級驅(qū)動器到Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三點多級驅(qū)動器的距離保持在4000μm以內(nèi)，滿足PT分析時序的要求，但它共驅(qū)動了三條總長度為約為10000μm的互連線，總電容值約為1.20pF，因此芯片中心點選擇插入第二級緩沖器數(shù)目為8的多級驅(qū)動器。同樣地，A、B點的多級驅(qū)動器分別驅(qū)動五個多級驅(qū)動器，互連線負(fù)載總長度約為15000μm，總電容值約為1.80pF，因此A、B選用第二級緩沖器數(shù)目為12的多級驅(qū)動器。C、D點的多級驅(qū)動器分別驅(qū)動三個多級驅(qū)動器，互連線負(fù)載總長度約為8000μm，總電容約為0.960pF，因此C、D點選用第二級緩沖器數(shù)目為8的多級驅(qū)動器。

4.4 分支終點時鐘樹生成

由于觸發(fā)器負(fù)載與模塊單元負(fù)載的輸入電容相差較大，當(dāng)其處于同一平衡型時鐘樹時，時鐘到達(dá)不同類型負(fù)載的時鐘延時差距較大，導(dǎo)致時鐘偏差較大［10］，因此，對于觸發(fā)器負(fù)載，由于觸發(fā)器數(shù)目較多，采用EDA工具可自動優(yōu)化時鐘偏差的平衡型二叉樹時鐘樹結(jié)構(gòu)；對于模塊單元負(fù)載，由于其數(shù)目較少、負(fù)載電容較大，采用由多級驅(qū)動器直接驅(qū)動的時鐘樹結(jié)構(gòu)。

由16個分支終點的多級驅(qū)動器分別分出兩條時鐘路徑，一條與一個就近的多級驅(qū)動器相連，用于驅(qū)動模塊單元；另一條與一個CKBD24BWP時鐘緩沖器相連，用于驅(qū)動觸發(fā)器單元。對于每個與觸發(fā)器負(fù)載相連的CKBD24BWP緩沖器，首先使用ICC2命令create_generated_clock在其輸出端創(chuàng)建一個周期與SCLK周期相同的時鐘信號，然后使用synthesize_clock_trees-clock針對每個generated clock進行時鐘樹綜合。對于每個與模塊單元相連的最后一級的多級驅(qū)動器，使用命令route_group將模塊單元時鐘輸入管腳與多級驅(qū)動器的輸出端相連，發(fā)散型時鐘樹結(jié)構(gòu)生長完成。完成后的發(fā)散型時鐘樹結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4.5 時鐘延遲平衡

在某些后端設(shè)計時，以不影響芯片功能為前提，可更改器件尺寸，或者添加緩沖器和反相器，因此也可以在那些已經(jīng)很小的延遲路徑中插入幾個緩沖單元，這樣的skew值更佳［11］。

由于模塊單元使用多級驅(qū)動器進行驅(qū)動，時鐘信號傳輸至模塊單元的延時是小于時鐘信號傳至觸發(fā)器負(fù)載的延時的。同時，不同模塊內(nèi)部的時鐘延時也不同，這也會導(dǎo)致模塊之間時鐘偏差過大。為降低時鐘偏差，需要對時鐘樹進行時鐘延時平衡。根據(jù)PrimeTime的時序報告，在不同模塊單元的時鐘輸入端插入不同的驅(qū)動較小的緩沖器，適當(dāng)延遲時鐘信號傳輸至模塊時鐘輸入端的時間，以此平衡不同負(fù)載時鐘路徑的時鐘延時，降低時鐘偏差。同時調(diào)整各個分支終點多級驅(qū)動器包含的CKBD24BWP緩沖器數(shù)目，以此平衡不同模塊內(nèi)部時鐘延時不同造成的影響。

5 仿真結(jié)果與分析

利用EDA工具PrimeTime分別對發(fā)散時鐘樹結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)二叉樹型平衡時鐘樹結(jié)構(gòu)進行靜態(tài)時序仿真。為減少片上偏差導(dǎo)致的時序仿真誤差，PT使用AOCV（Advance OCV）基于路徑級數(shù)和物理距離設(shè)置不同下降因子的方法［12］，精確報告出兩種時鐘樹的時序質(zhì)量。兩種時鐘樹的性能比較如表1所示。

由表1可知，在大規(guī)模芯片級設(shè)計中，傳統(tǒng)二叉樹型時鐘樹時鐘級數(shù)較多，延時很大，而且抗噪聲能力很差，導(dǎo)致了建立時間違例數(shù)較大。發(fā)散型時鐘樹相比于傳統(tǒng)二叉樹型時鐘延遲和時鐘偏差較小，抗噪聲能力更強，能更好地為時序收斂服務(wù)。

表1 兩種時鐘樹的性能比較

6 結(jié)語

在大規(guī)模芯片級后端設(shè)計中，通過本文方法實現(xiàn)的發(fā)散型時鐘樹比傳統(tǒng)二叉樹型時鐘樹減少了26%的時鐘延時和22%的時鐘偏差以及59%的噪聲，大大地減少了時序違例的數(shù)量，在數(shù)字后端芯片級設(shè)計中應(yīng)用前景廣泛。

［1］程鋒.超大規(guī)模集成電路布局算法研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2005.

［2］張玲，王澧.百萬門系統(tǒng)級芯片的時鐘樹設(shè)計［J］.電子與封裝，2014，14（12）：21-24.

［3］LIN H T，CHUANG Y L，YANG Z H，et al.Pulsed-latch utilization for clock-tree power optimization［J］.IEEE Trans VLSI Syst，2014，22（4）：721-733.

［4］陽若寧.一種低功耗集成電路的時鐘分布策略［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2011，31（12）：192-196.

［5］陳祺，林平分，張玥.超大規(guī)模集成電路中基于OCV的時序收斂方法［J］.電子科技，2009，22（7）：30-33.

［6］曾艷飛.魚骨型時鐘結(jié)構(gòu)的研究與實現(xiàn)［D］.長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.

［7］Hou W，Liu D，Ho P H.Automatic register banking for low-power clock trees［C］//Quality of Electronic Design，2009.ISQED 2009.Quality Electronic Design.IEEE，2009：647-652.

［8］張巖，楊銀堂.一種新型分布式互連線功耗優(yōu)化模型［J］.西安電子科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，41（4）：36-40.

［9］孫驥.超大規(guī)模集成電路時鐘線網(wǎng)的布線及優(yōu)化算法研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2005.

［10］楊賀，嚴(yán)偉.點接魚骨型時鐘網(wǎng)路設(shè)計［J］.微電子學(xué)與計算機，2016，33（7）：11-14.

［11］童瓊，張曉林，蘇琳琳等.雙頻雙系統(tǒng)導(dǎo)航芯片的時鐘樹分析和設(shè)計［J］. 微電子學(xué)，2011，41（2）：246-250.

［12］嚴(yán)偉，范光宇，朱兆偉，鄭永力.一種改進型FBT時鐘樹結(jié)構(gòu)［J］.微電子學(xué)，2017，47（1）：92-95.