LUCT低不確定性時(shí)鐘樹設(shè)計(jì)方法、算法和工具

前言 – LUCT是什么
第一層時(shí)鐘樹和第二層時(shí)鐘樹

時(shí)鐘樹設(shè)計(jì)及其設(shè)計(jì)方式是引起系統(tǒng)芯片性能差異的主要原因。

從歷史角度看，ASIC時(shí)鐘樹設(shè)計(jì)人員利用商用自動(dòng)化工具設(shè)計(jì)時(shí)鐘樹，以確保執(zhí)行時(shí)間等性能取得預(yù)期結(jié)果，但是，這種方法的時(shí)鐘偏差和插入延時(shí)等性能卻不盡人意，另外，高復(fù)雜性、頻率和尺寸設(shè)計(jì)使得傳統(tǒng)方法完全沒(méi)有可行性。

低不確定性時(shí)鐘樹[LUCT]設(shè)計(jì)及算法與在系統(tǒng)芯片上實(shí)現(xiàn)的第一層時(shí)鐘樹的物理定義有關(guān)，能夠讓設(shè)計(jì)人員克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的所有低效率問(wèn)題。

從頂層的根時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)（通常是PLL輸出）到中層時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，LUCT是一個(gè)高質(zhì)量的負(fù)載均衡的時(shí)鐘樹，其目標(biāo)是將時(shí)鐘信號(hào)從中央鎖相環(huán)PLL送到芯片的大部分區(qū)域，詳情參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。該文獻(xiàn)詳細(xì)介紹了低不確定性時(shí)鐘樹[LUCT]方法和架構(gòu)，概括了從規(guī)格定義到單元布局和時(shí)鐘合成的全部相關(guān)設(shè)計(jì)流程。

按照參考文獻(xiàn)[2]的定義，這種時(shí)鐘分配方法屬于結(jié)構(gòu)化時(shí)鐘樹。文獻(xiàn)[2]還概括了現(xiàn)有的不同的時(shí)鐘設(shè)計(jì)方式。從時(shí)鐘源到寄存器，整個(gè)時(shí)鐘樹由第一層時(shí)鐘樹和第二層（或本地）時(shí)鐘樹組成。商用EDA工具需要實(shí)現(xiàn)本地時(shí)鐘樹。

LuctGenKit是意法半導(dǎo)體數(shù)字ASIC產(chǎn)品部的設(shè)計(jì)方法小組研發(fā)的時(shí)鐘設(shè)計(jì)工具，可完成LUCT架構(gòu)的物理實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

圖1：在ASIC設(shè)計(jì)中優(yōu)化時(shí)鐘分配

LUCT工具主要特性
LuCT時(shí)鐘合成工具提供LuCT方法中的所有重要特性：
o均衡的時(shí)鐘樹
-長(zhǎng)度均等和主動(dòng)負(fù)載匹配
-障礙感知
-使用低電阻的高層金屬層傳輸信號(hào)
-屏蔽和寄生匹配
o增強(qiáng)型訂制單元庫(kù)，滿足各種信號(hào)強(qiáng)度需求
o支持多種制造工藝，例如，32/28bulk,28fdsoi等
o模塊布局，障礙布局與避障
o與布局布線環(huán)境完全集成

LuCT設(shè)計(jì)流程

圖2：LuCTgenKit設(shè)計(jì)流程

LuCTgenKit設(shè)計(jì)流程分為四個(gè)階段，本文下面章節(jié)將給予詳細(xì)討論。該工具可簡(jiǎn)化復(fù)雜ASIC設(shè)計(jì)，在有多個(gè)工程師參與整個(gè)項(xiàng)目的物理實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)環(huán)境中效果特別明顯。在一個(gè)典型設(shè)計(jì)組織內(nèi)，物理實(shí)現(xiàn)的初始階段是數(shù)據(jù)庫(kù)準(zhǔn)備和規(guī)格定義，最后階段的工作主要是由專門的LuCT工程師來(lái)完成。一旦數(shù)據(jù)庫(kù)準(zhǔn)備和規(guī)格定義都完成后，僅一名LuCT設(shè)計(jì)工程師在一個(gè)工作日內(nèi)即可完成整個(gè)頂層時(shí)鐘樹（可能不只一個(gè)時(shí)鐘樹）的實(shí)現(xiàn)和定案工作。

LuCT tool
數(shù)據(jù)庫(kù)準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)庫(kù)準(zhǔn)備包括必要的設(shè)計(jì)檢查、布局規(guī)劃合理性驗(yàn)證、讀取電源網(wǎng)格形狀屬性和布局布線工具。其中，布局布線工具用于連接特殊的增強(qiáng)型時(shí)鐘庫(kù)，并通過(guò)LuCT創(chuàng)建算法確保時(shí)鐘庫(kù)布局連貫。本階段還是使結(jié)構(gòu)化時(shí)鐘樹利用現(xiàn)有技術(shù)取得最高性能的關(guān)鍵步驟，特別是在降低電壓降和抗串?dāng)_方面。

LuCT tool
LuCT規(guī)格定義

每一個(gè)時(shí)鐘合成，都需要在該工具內(nèi)輸入下面信息：
o技術(shù)節(jié)點(diǎn)
o主要時(shí)鐘樹起點(diǎn)(PLL)
-X 和Y坐標(biāo)
o主要時(shí)鐘樹終點(diǎn)
-每個(gè)葉子上的X和Y坐標(biāo)
o頻率范圍
o工藝－電壓－溫度角
o時(shí)鐘單元參數(shù)選擇
設(shè)計(jì)人員可通過(guò)圖形用戶界面輸入所需的全部數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)方式。

LuCT tool
執(zhí)行: 創(chuàng)建LuCT

低不確定性時(shí)鐘樹合成自動(dòng)化工具捆綁下列對(duì)象:
-設(shè)計(jì)規(guī)格
-布局規(guī)劃信息(包括布局障礙和布線障礙)
-電源網(wǎng)格
-設(shè)計(jì)和布局規(guī)則
-網(wǎng)表
-布局
-圖形用戶界面
-報(bào)告
-定案

圖3：LuCT應(yīng)用軟件圖形用戶界面菜單

LuCT工具通過(guò)意法半導(dǎo)體獨(dú)有的算法生成時(shí)鐘樹拓?fù)?/strong>。該算法基于均衡的路徑長(zhǎng)度和等長(zhǎng)同質(zhì)布線。芯片布局規(guī)劃建模和初始化以及路徑計(jì)算需要Lemon C++圖形函數(shù)庫(kù)[4]。時(shí)鐘樹創(chuàng)建過(guò)程包含下列步驟：

o網(wǎng)格生成: 在從布局規(guī)劃讀取數(shù)據(jù)后，生成障礙模型和電源網(wǎng)格形狀模型。從這些模型開始計(jì)算一個(gè)代表LuCT算法定義的布局布線間距的點(diǎn)集合（網(wǎng)格）。
o構(gòu)建二進(jìn)制樹：使用意法半導(dǎo)體獨(dú)有算法將葉子分組，每組一對(duì)。通過(guò)計(jì)算長(zhǎng)度均等的包含避障點(diǎn)的路徑和合并點(diǎn)（即該路徑中間的一點(diǎn)）的方式將每對(duì)樹葉合并。通過(guò)這種方法按照遞歸方式合并新的葉子（合并點(diǎn)），直到只剩下一個(gè)點(diǎn)（樹根）為止，詳見(jiàn)圖4到圖6。
o插入時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器和布線：插入時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器和優(yōu)化布線是采用一個(gè)自下向上的方法，分別考慮障礙布局和障礙布線。

圖 4：終點(diǎn)集合

圖5：LuCT創(chuàng)建樹算法配對(duì)決策與合并

圖 6：上一級(jí)產(chǎn)生的合并點(diǎn)配對(duì)合并

圖7 ：采用LuCT工具的設(shè)計(jì)流程

一旦生成時(shí)鐘樹結(jié)構(gòu)，只要在布局布線CAD工具內(nèi)使用腳本程序即可實(shí)現(xiàn)布局。對(duì)于多個(gè)并行時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器的高性能布線/走線、通孔布局和電源噪聲感知布局，取得布局配置需要使用自定義規(guī)則。

通過(guò)修改幾個(gè)對(duì)二進(jìn)制樹架構(gòu)和創(chuàng)建有很大影響的參數(shù)，可以優(yōu)調(diào)算法。

下面是一些參數(shù)示例:
o葉子對(duì)生成：可自動(dòng)或人工生成
o路徑距離計(jì)算：可以是純Manhattan方式或能夠感知障礙
o彎折最小化：為布線網(wǎng)絡(luò)選擇適合的吸引力
o通過(guò)在每個(gè)布線/合并階段全局重映射中心，吸引合并區(qū)向現(xiàn)階段的中心轉(zhuǎn)移
o時(shí)鐘樹性能指標(biāo)：障礙強(qiáng)度、時(shí)鐘偏差/插入延時(shí)性能與障礙的均衡性、時(shí)鐘擁堵。

LuCT 工具
示例和結(jié)果
圖8所示是按照上面討論的方法使用LuCTgenKit設(shè)計(jì) 28FDSOI芯片的時(shí)鐘樹。1GHz時(shí)鐘信號(hào)從時(shí)鐘源分配到8個(gè)樹葉，避繞障礙，平衡時(shí)鐘偏差，查覺(jué)障礙。圖9所示當(dāng)連接高層葉子對(duì)時(shí)如何執(zhí)行等長(zhǎng)計(jì)算。

圖 8

圖 9

這個(gè)示例的主要結(jié)論是，按照基延遲（base delay）計(jì)算，時(shí)鐘偏差是非常有限的，不過(guò)，出現(xiàn)大量的不常見(jiàn)路徑。

時(shí)鐘頻率 1GHz
終點(diǎn)數(shù)量8
路徑總長(zhǎng) 22090 um
Common12360umUncommon9730um
PVTCmax Slow, 0.95V, 125c
最大延遲 597 ps
全局偏差(base delay)5 ps
最大轉(zhuǎn)換時(shí)間53 ps
創(chuàng)建樹運(yùn)行時(shí)< 10s
CPUXeon? E5-2600 v2 2.80GHz

表1：圖8和圖9的LuCT的數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果

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