ASIC后端設計中的時鐘樹綜合

摘要：時鐘樹綜合是當今集成電路設計中的重要環(huán)節(jié)，因此在FFT處理器芯片的版圖設計過程中，為了達到良好的布局效果，采用時序驅(qū)動布局，同時限制了布局密度；為了使時鐘偏移盡可能少，采用了時鐘樹自動綜合和手動修改相結(jié)合的優(yōu)化方法，并提出了關(guān)于時鐘樹約束文件的設置、buffer的選型及手動修改時鐘樹的策略，最終完成了FFT處理器芯片的時鐘樹綜合并滿足了設計要求。
關(guān)鍵詞：FFT處理器芯片；布局布線；時鐘樹綜合；時鐘偏移

0 引言
在大規(guī)模高性能的ASIC設計中，對時鐘偏移(Clock Skew)的要求越來越嚴格，時鐘偏移是限制系統(tǒng)時鐘頻率的主要因素。而時鐘樹綜合又是減小時鐘偏移的有效途徑，因此它是ASIC后端設計中最重要的環(huán)節(jié)之一。本文以基于SOC Encounter，采用SMIC0．18μm工藝進行的FFT處理器的版圖設計為例，提出在設計過程中如何減小時鐘偏移，結(jié)合手動優(yōu)化幫助工具設計出更好的時鐘樹。

1 時鐘偏移產(chǎn)生的原因分析
同一時鐘源到達各個同步單元的最大時間差稱作時鐘偏移。產(chǎn)生時鐘偏移的原因有：時鐘源到各個時鐘端點的路徑長度不同；各個端點負載不同；在時鐘網(wǎng)中插入的緩沖器不同等。時鐘偏差過大會引起同步電路功能混亂。

在圖1中，假設CLK到達reg1和reg2的時間差最大，為dskew，組合邏輯C的延時為dc，寄存器的延時為d，其建立時間約束為dsetup，保持時間為dhold，時鐘周期為T。滿足建立時間的要求是在CLK2跳變前的dsetup時間，reg2上D端的數(shù)據(jù)應該穩(wěn)定，考慮最壞情況reg1比reg2晚dskew，這時滿足的時間關(guān)系應該是：

滿足保持時間的要求是：在CLK2跳變后的dhold時間內(nèi)，reg2上D端的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，考慮最壞情況reg1比reg2早dskew，這時滿足的時間關(guān)系應該是：

由此可見，時鐘偏移對電路速度和時鐘頻率的限制是很大的，而寄存器的保持時間、建立時間和自身的延時，都是與器件單元本身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有關(guān)，依賴于工藝的改進來進一步減小，所以減小skew成為后端設計重要內(nèi)容，也是提高電路速度的關(guān)鍵。

2 SOC Encounter的時鐘樹綜合
SOC Encounter的時鐘樹綜合在完成布局之后進行，可以采用手動模式和自動模式。手動模式能控制時鐘樹的層次、buffer的數(shù)目和每層加入buffer的類型。自動模式根據(jù)時鐘樹定義文件自動決定時鐘樹的層次和buffer的數(shù)目。時鐘樹綜合從外部時鐘輸入端口自動遍歷整個時鐘樹，遍歷完成后加入buffer用來平衡時鐘樹。SOC Encounter的時鐘樹綜合流程如圖2所示。