基于Astro工具的ASIC時(shí)序分析

引言

隨著系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的提高，時(shí)鐘偏斜和干擾開始成為IC工程師重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。增大時(shí)序電路的時(shí)鐘頻率，減小時(shí)序電路的容差能提升未來(lái)的系統(tǒng)性能。低偏斜時(shí)鐘緩沖器和鎖相環(huán)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器將幫助設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)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(shí)鐘電路設(shè)計(jì)為一個(gè)時(shí)鐘系統(tǒng)，考慮時(shí)鐘分步網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)方面，包括驅(qū)動(dòng)器、傳輸線路和信號(hào)布線等。

時(shí)鐘偏斜

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

偏斜主要由兩個(gè)因素造成：一是時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件的偏差，例如同一個(gè)PLL輸出的不同時(shí)鐘信號(hào)之間的偏斜；另一個(gè)是時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)的偏斜

。由于時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的大量元件為了達(dá)到同步必須同時(shí)接收到時(shí)鐘信號(hào)，因此它們之間的任何時(shí)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(huì)嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)的時(shí)序，因此需要在設(shè)計(jì)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(gè)輸出延時(shí)之間的差值。電子工程設(shè)計(jì)發(fā)展聯(lián)合協(xié)會(huì)(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(dòng)輸入應(yīng)連接在一起，輸出部分在同一方向切換，并驅(qū)動(dòng)相同的負(fù)載。目前，高性能時(shí)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(gè)或多個(gè)獨(dú)立器件的任何指定輸出之間的傳送延時(shí)之差。其中，相同的環(huán)境指的是相同的輸入信號(hào)、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(shí)序分析

為了保證同步系統(tǒng)的正常運(yùn)行，所有的時(shí)序單元必須在給定的時(shí)鐘周期內(nèi)正常工作。如果時(shí)序單元的總和超出了可用時(shí)間限制，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生故障。進(jìn)行時(shí)序分析能夠確定可能會(huì)占用時(shí)鐘周期的所有因素并評(píng)估這些因素所帶來(lái)的影響，令設(shè)計(jì)者了解其設(shè)計(jì)的電路能夠以多快的速度運(yùn)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)電路如圖1所示。寄存器FF1在時(shí)鐘的每個(gè)上升沿驅(qū)動(dòng)，輸出Q1并將其作為組合邏輯電路C2的輸入信號(hào)。寄存器FF2使用與FF1相同的時(shí)鐘進(jìn)行控制。來(lái)自于組合邏輯電路C2的數(shù)據(jù)必須先于時(shí)鐘到達(dá)，即需要一定的建立時(shí)間；而且必須要持續(xù)足夠的時(shí)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(shí)間。

解決時(shí)鐘偏斜的常用方法

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

在ASIC設(shè)計(jì)中，解決時(shí)鐘偏斜的方法很多。比如：按與數(shù)據(jù)流相反的方向來(lái)分布時(shí)鐘走線；控制時(shí)鐘的非交迭時(shí)間來(lái)消除時(shí)鐘偏斜；通過(guò)分析時(shí)鐘分布網(wǎng)絡(luò)來(lái)保證時(shí)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(guò)分析時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)來(lái)保證合理的時(shí)鐘偏斜。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)調(diào)整一些參數(shù)來(lái)控制時(shí)鐘分布網(wǎng)絡(luò)，以達(dá)到較好的效果?？烧{(diào)整的參數(shù)包括時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的互連材料、時(shí)鐘分布網(wǎng)絡(luò)的形狀、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)和所用的緩沖配置、時(shí)鐘線上的負(fù)載（扇出）、時(shí)鐘的上升和下降時(shí)間等。總之，時(shí)鐘分布網(wǎng)絡(luò)的目的就是使與時(shí)鐘信號(hào)相連的功能子模塊的互連線大致等長(zhǎng)。

Astro工具的使用

Synopsys公司的Astro是在ASIC設(shè)計(jì)中流行的后端物理實(shí)現(xiàn)工具,是深亞微米芯片設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、布局、布線、計(jì)算時(shí)延的設(shè)計(jì)環(huán)境。Astro可以滿足5千萬(wàn)門、GHz時(shí)鐘頻率、采用0.10um及以下工藝SOC設(shè)計(jì)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(kù)、Pad庫(kù)以及宏模塊庫(kù)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(shí)序約束文件，設(shè)置好時(shí)序建立的菜單，為后面進(jìn)行時(shí)序驅(qū)動(dòng)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(shí)序要求；
5. 時(shí)鐘樹綜合，為了降低時(shí)鐘樹偏斜而產(chǎn)生由許多驅(qū)動(dòng)單元組成的時(shí)鐘樹；

6. 布線，先對(duì)電源線和時(shí)鐘信號(hào)布線，然后對(duì)信號(hào)線布線，目標(biāo)是最大程度地滿足時(shí)序；

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

上面7個(gè)步驟是Astro設(shè)計(jì)的基本流程，下面針對(duì)設(shè)計(jì)中的時(shí)序偏斜對(duì)第5部分時(shí)鐘樹綜合進(jìn)行重點(diǎn)分析。

時(shí)鐘樹綜合是時(shí)序優(yōu)化處理中最重要的一步。時(shí)鐘樹綜合的目的是為了減小時(shí)鐘偏斜和傳輸延遲，通常是將最重要的時(shí)鐘放到最后來(lái)綜合，這是因?yàn)榍懊婢C合的時(shí)鐘可能會(huì)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(shí)鐘偏斜和傳輸延遲保持在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。

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

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

結(jié)語(yǔ)

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


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