基于Astro工具的ASIC時序分析

　　引言

　　隨著系統(tǒng)時鐘頻率的提高，時鐘偏斜和干擾開始成為IC工程師重點考慮的問題。增大時序電路的時鐘頻率，減小時序電路的容差能提升未來的系統(tǒng)性能。低偏斜時鐘緩沖器和鎖相環(huán)時鐘驅(qū)動器將幫助設(shè)計人員設(shè)計出速度、偏斜和抗噪性能等指標(biāo)滿足要求的電路系統(tǒng)，但必須將時鐘電路設(shè)計為一個時鐘系統(tǒng)，考慮時鐘分步網(wǎng)絡(luò)的各個方面，包括驅(qū)動器、傳輸線路和信號布線等。

　　時鐘偏斜

　　時鐘偏斜定義為在時鐘分布系統(tǒng)中到達(dá)各個時鐘末端(即器件內(nèi)部觸發(fā)器的時鐘輸入端)的時鐘相位不一致的現(xiàn)象。如果時鐘偏斜超過所允許的最大值，電路的同步可能會發(fā)生失效。

　　偏斜主要由兩個因素造成：一是時鐘源驅(qū)動器件的偏差，例如同一個PLL輸出的不同時鐘信號之間的偏斜;另一個是時鐘分配網(wǎng)絡(luò)的偏斜 。由于時鐘信號驅(qū)動系統(tǒng)中的大量元件為了達(dá)到同步必須同時接收到時鐘信號，因此它們之間的任何時間差異都將直接影響系統(tǒng)性能。小的偏斜可以忽略，但大到一定程度就會嚴(yán)重影響設(shè)計的時序，因此需要在設(shè)計中盡量減小其影響。

　　輸出偏斜也叫做引腳到引腳的偏斜，它是指同一器件上同一躍遷的任何兩個輸出延時之間的差值。電子工程設(shè)計發(fā)展聯(lián)合協(xié)會(JEDEC)將輸出偏斜定義為單一器件輸出之間的偏斜，該器件的所有驅(qū)動輸入應(yīng)連接在一起，輸出部分在同一方向切換，并驅(qū)動相同的負(fù)載。目前，高性能時鐘緩沖器中的常見輸出偏斜約為200ps。器件到器件的偏斜也稱為封裝偏斜，被定義為在相同環(huán)境下工作的兩個或多個獨立器件的任何指定輸出之間的傳送延時之差。其中，相同的環(huán)境指的是相同的輸入信號、電源電壓、環(huán)境溫度、封裝、負(fù)載等。目前的高性能緩沖器中典型的元件到元件偏斜約為500ps。

　　時序分析

　　為了保證同步系統(tǒng)的正常運行，所有的時序單元必須在給定的時鐘周期內(nèi)正常工作。如果時序單元的總和超出了可用時間限制，系統(tǒng)就會發(fā)生故障。進(jìn)行時序分析能夠確定可能會占用時鐘周期的所有因素并評估這些因素所帶來的影響，令設(shè)計者了解其設(shè)計的電路能夠以多快的速度運行，以及當(dāng)前系統(tǒng)還有多大的寬裕度等。

　　使用同步系統(tǒng)基本元件的簡化設(shè)計電路如圖1所示。寄存器FF1在時鐘的每個上升沿驅(qū)動，輸出Q1并將其作為組合邏輯電路C2的輸入信號。寄存器FF2使用與FF1相同的時鐘進(jìn)行控制。來自于組合邏輯電路C2的數(shù)據(jù)必須先于時鐘到達(dá)，即需要一定的建立時間;而且必須要持續(xù)足夠的時間以便使寄存器FF2能夠獲得正確的輸出，即需要一定的保持時間。

　　解決時鐘偏斜的常用方法

　　時鐘偏斜是不可避免的，關(guān)鍵問題是一個系統(tǒng)能夠容忍多大的時鐘偏斜。通常，可允許的時鐘偏斜是由系統(tǒng)要求和工藝參數(shù)(例如時鐘緩沖器與寄存器的延時)來決定的。設(shè)計思路不同，得到的時鐘偏斜也不一樣。用標(biāo)準(zhǔn)單元方法設(shè)計的電路通常要比全定制電路的時鐘偏斜大一些。一般而言，一個系統(tǒng)中的流水線級越多，則由于時鐘偏斜導(dǎo)致功能錯誤的可能性越大。

　　在ASIC設(shè)計中，解決時鐘偏斜的方法很多。比如：按與數(shù)據(jù)流相反的方向來分布時鐘走線;控制時鐘的非交迭時間來消除時鐘偏斜;通過分析時鐘分布網(wǎng)絡(luò)來保證時鐘偏斜在合理的范圍內(nèi)等。

　　上面3種方法中最好的是通過分析時鐘網(wǎng)絡(luò)來保證合理的時鐘偏斜。設(shè)計人員可以通過調(diào)整一些參數(shù)來控制時鐘分布網(wǎng)絡(luò)，以達(dá)到較好的效果。可調(diào)整的參數(shù)包括時鐘網(wǎng)絡(luò)的互連材料、時鐘分布網(wǎng)絡(luò)的形狀、時鐘驅(qū)動和所用的緩沖配置、時鐘線上的負(fù)載(扇出)、時鐘的上升和下降時間等。總之，時鐘分布網(wǎng)絡(luò)的目的就是使與時鐘信號相連的功能子模塊的互連線大致等長。

　　Astro工具的使用

　　Synopsys公司的Astro是在ASIC設(shè)計中流行的后端物理實現(xiàn)工具,是深亞微米芯片設(shè)計進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化、布局、布線、計算時延的設(shè)計環(huán)境。Astro可以滿足5千萬門、GHz時鐘頻率、采用0.10um及以下工藝SOC設(shè)計的工程和技術(shù)需求，其基本流程如下：

　　1. 讀入網(wǎng)表，用晶圓廠提供的標(biāo)準(zhǔn)單元庫、Pad庫以及宏模塊庫進(jìn)行映射;

　　2. 預(yù)布局，規(guī)定芯片的大致面積、引腳位置以及宏單元位置等粗略的布局信息;

　　3. 讀入時序約束文件，設(shè)置好時序建立的菜單，為后面進(jìn)行時序驅(qū)動的布局布線做準(zhǔn)備;

　　4. 詳細(xì)布局，力求使布線階段能順利滿足布線布通率100%的要求和時序要求;

　　5. 時鐘樹綜合，為了降低時鐘樹偏斜而產(chǎn)生由許多驅(qū)動單元組成的時鐘樹;

　　6. 布線，先對電源線和時鐘信號布線，然后對信號線布線，目標(biāo)是最大程度地滿足時序;

　　7. 為滿足設(shè)計規(guī)則從而能成功制造出芯片而做的修補工作，如填充一些dummy單元等。

　　上面7個步驟是Astro設(shè)計的基本流程，下面針對設(shè)計中的時序偏斜對第5部分時鐘樹綜合進(jìn)行重點分析。

　　時鐘樹綜合是時序優(yōu)化處理中最重要的一步。時鐘樹綜合的目的是為了減小時鐘偏斜和傳輸延遲，通常是將最重要的時鐘放到最后來綜合，這是因為前面綜合的時鐘可能會因后面插入的緩沖器而受到影響。這些緩沖器在芯片內(nèi)部應(yīng)均勻分布，力求使時鐘偏斜和傳輸延遲保持在設(shè)計范圍之內(nèi)。

　　時鐘樹綜合解決時鐘偏斜的一般方法是：通過分析時鐘線路延遲，在時鐘樹中插入不同尺寸不同驅(qū)動能力的緩沖器以改變時鐘信號到達(dá)觸發(fā)器的延時，使時鐘信號能在同一時間到達(dá)各個觸發(fā)器，讓時鐘偏斜近似為零。用這種方法可以使電路盡可能不受時鐘偏斜的影響，而正確工作。時鐘樹綜合對話框和做完時鐘樹優(yōu)化后常見的時鐘樹結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

　　在進(jìn)行完時鐘樹綜合與優(yōu)化之后，可得到電路的時鐘樹偏斜報告，報告包括全局偏斜(global skew)，局部偏斜(local skew)和有用偏斜(useful skew)。此時的時序應(yīng)為正，否則還要進(jìn)行繼續(xù)優(yōu)化。

　　結(jié)語

　　對于復(fù)雜的同步系統(tǒng)而言，創(chuàng)建時序拓?fù)洳⑦M(jìn)行時序分析是保證ASIC設(shè)計成功的基本因素。解決時鐘偏斜的方法很多，主要目的是將時鐘偏斜的影響降到最低。其實時鐘偏斜并非總是給電路帶來負(fù)面影響，我們還可以利用它來改進(jìn)電路的時序，使電路工作在最優(yōu)性能。

　　參考文獻(xiàn)

　　1 Steve Furber. ARM SoC 體系結(jié)構(gòu)[M] . 田澤譯. 北京:北京 航空航天大學(xué)出版社,2003.

　　2 Synopsys.Synopsys Astro user guide, Clock Tree Synthesis and Clock Tree

　　3 Optimizations, V-2004.06

　　4 潘松,黃繼業(yè). EDA 技術(shù)實用教程,北京,科學(xué)出版社,2002

　　5 D. Harris, M. Horowitz, and D. Liu, “Timing analysis including clock skew,” IEEE Trans. Comput.-Aided Design, vol. 18, no. 11, Nov. 1999.

　　6 E. G. Friedman, Clock Distribution Networks in VLSI Circuits and Systems.New York: IEEE, 1995.