14 nm工艺下基于工艺下基于H-Tree和和clock mesh混合时钟树的研究与混合时钟树的研究与
实现实现
在数字集成电路设计中,时钟信号是数据传输的基准,时钟信号作为数字芯片内部转换频率最高和布线距离最
长的信号,也是数字芯片功耗的重要组成部分。为了优化数字芯片的功耗、功能和稳定性,在GF14 nm工艺下
对时钟树进行优化设计,提出一种H-Tree和clock mesh相结合的混合时钟树结构的设计方法,通过clock mesh
和clock spine的布局优化整体时钟树的性能和稳定性。仿真结果表明,该混合时钟树能够结构显著提升时钟树
性能,有效减少布线长度、时钟偏移以及传播延迟,降低PVT等环境参数的影响。
0 引言引言
随着半导体生产工艺的不断发展,数字芯片的工作频率显著提升,芯片功耗也随之增加。时钟信号作为数字系统的“心脏”,
对于数字系统的功能、性能和稳定性起决定性作用
[1]
。因此时钟信号的特性以及时钟树的布局引起了设计人员的高度重视,如
何降低时钟信号的传播延时(Clock Latency)和时钟偏移(Clock Skew),减小PVT(Process,voltage, temperature)环境变量的
影响和功耗成为了当今时钟树设计的主题。另外,在生产工艺迅速发展的今天,工艺的提升必然会对数字IC的设计方法提出新
的要求,传统的时钟树结构和驱动器单元库不再适应新的工艺带来的更高要求,因此在先进的生产工艺GF14 nm下进行基
于H-Tree和clock mesh的混合时钟树设计具备一定的实用性和研究价值。
现阶段,数字IC主流的时钟树结构有H-Tree、X-Tree、balanced-Tree以及clock mesh等
[2]
,H-Tree从中心点到各个叶节点
的距离理论上相等,因此具有时钟偏移小的优点。但是其对寄存器布局约束要求严格,布线难度大;clock mesh的时钟树长度
短,因此时钟延迟较小,但是时钟偏移却难以保证
[3]
。为了充分利用两种时钟树结构的优势,减少时钟信号的传播延迟和偏
差,降低环境因素的影响,本文基于GF14 nm工艺,研究 H-Tree和clock mesh混合时钟树结构。
1 基于基于H-Tree和和clock mesh的时钟树结构的时钟树结构
时钟信号的传播在物理设计中的实现形式称为时钟树,时钟树的起点被称为根节点(Root pin),时钟信号经过一系列分布节
点到达寄存器的时钟输入端,这些时钟信号传播的终点被称为叶节点(Leaf pin)。时钟信号从根节点出发,通过逐级插入的驱
动器(Buffer)最终到达叶节点,从而构成了整个时钟树
[4]
。
基于H-Tree和clock mesh的混合时钟树的逻辑结构主要由3部分组成:Top-H、clock mesh和Local-H。Top-H是Top Level
上的H-Tree结构;clock mesh是一张均匀传播时钟信号的网络,作为Top-H和Local-H连接的桥梁;Local-H是局部H-Tree,
其主要发生在每个模块的内部,对应的叶节点为实际存在的寄存器。具体的逻辑结构如下所述:
(1)在Top-H部分,时钟信号由根节点出发,经过芯片层次上的驱动器TMAC传播,将时钟信号等距离地传递到模块单元中。
整体TMAC以H-Tree结构分布,其中水平方向的TMAC称为TMACH,垂直方向的TMAC称为TMACV。顶层H-Tree的最后一级
驱动器被称为MBUF,MBUF的输出端实际上为时钟信号的真实输出。为了和clock mesh完成连接,将同一级的MBUF的输出
端连接到同一连线上,称为shortBar;
(2)在clock mesh阶段,根据模块和电源网络的布局将mesh网络覆盖到芯片金属高层,为了减少时钟信号受到的噪声串扰和
环境等因素的影响,垂直网络和水平网络交替放置在电源和地线周围;
(3)Local-H部分,首先需要根据clock mesh的位置在每个模块内部合理放置mesh buffer,即模块内部H-Tree的根节点。
mesh buffer根据就近原则通过anchor pin与clock mesh相连;另一方面,为了更好地产生局部H-Tree的架构,模块内部的寄
存器需要根据逻辑层次以Cluster的形式对称分布,mesh buffer的输出端作为局部时钟树的起点进行时钟树综合
[5]
。
综上所述,时钟信号由根节点出发,经过Top-H等距离传播到芯片clock mesh网络,然后通过mesh上的anchor pin传播到
模块内部的mesh buffer上,最后由mesh buffer作为局部时钟树的根节点经过各级驱动器传播到最终的寄存器单元。基于H-
Tree和clock mesh的混合时钟树的逻辑结构如图1所示。
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