摘 要： 針對SoC中時鐘網(wǎng)絡(luò)的自動門控時鐘技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用方法的研究，主要以聚芯SoC1000C的CPU核為基礎(chǔ)，通過對其內(nèi)部時序邏輯特點的分析，提出以精確可靠的時序分析為基礎(chǔ)的時鐘網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案，從而在不增加物理設(shè)計復(fù)雜度的情況下大大降低SoC的時鐘功耗，同時達(dá)到改善時序性能和芯片面積的效果。
關(guān)鍵詞： SoC1000C；單片機；門控時鐘
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近年來，芯片的內(nèi)部時鐘頻率飛速增長，由于其時鐘樹的翻轉(zhuǎn)率固定為時鐘頻率的2倍，而其他信號每個周期的平均翻轉(zhuǎn)率通常要遠(yuǎn)小于1，因此時鐘樹以及觸發(fā)器單元的功耗消耗要比處理器中其他非時序單元的功耗消耗大得多。芯片中的時鐘網(wǎng)絡(luò)包括時鐘樹以及時鐘樹所驅(qū)動的觸發(fā)器兩大部分，這兩部分由于具有翻轉(zhuǎn)頻率高、分布廣、連線長等特點，所以不論從延遲、可靠性，還是從功耗的角度看，時鐘網(wǎng)絡(luò)都是處理器中需要細(xì)心考慮的關(guān)鍵部分。根據(jù)功耗分析的結(jié)果，由時鐘樹和觸發(fā)器組成的時鐘網(wǎng)絡(luò)雖然在單元數(shù)目上只占處理器所有單元數(shù)目的不到百分之十，但這部分的時鐘功耗卻通常占處理器總功耗的30%以上。例如在Alpha 21264中占總功耗的32%[1]，Itanium2中占總功耗的33%[2]，在龍芯2E處理器中達(dá)到47%[3]。
1 自動門控時鐘技術(shù)原理
門控時鐘技術(shù)是在寄存器排的時鐘網(wǎng)絡(luò)上插入門控電路，產(chǎn)生一個消除寄存器不必要活動的控制信號，減少了電路中不必要的信號翻轉(zhuǎn)，從而降低功耗。當(dāng)前，支持自動門控時鐘技術(shù)的EDA工具，如Synopsys公司的Power Compiler，可以將以上三種類型的RTL代碼自動映射為如圖1所示的電路，觸發(fā)器原先的使能端EN同時關(guān)閉時鐘。為此，需要在時鐘樹上增加一個基本門控單元，它由一個邏輯與門（AND）和一個用來防止生成毛刺的鎖存器（LATCH）組成，從而保證時序的正確性。當(dāng)EN端為低時，寄存器排的時鐘被自動關(guān)閉，有效降低了功耗；而當(dāng)EN端為高時，寄存器排的時鐘被自動打開，從而確保了電路的正常工作。當(dāng)EN越長時間為低時,功耗優(yōu)化效果會越明顯。
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根據(jù)門控時鐘原理不難看出，門控時鐘的引入可以帶來如下好處：首先門控使能關(guān)閉時，位于門控單元后面的時鐘不再翻轉(zhuǎn)，因此節(jié)省了相應(yīng)的時鐘樹與觸發(fā)器上的時鐘功耗；其次，加入門控邏輯后，被門控的每個觸發(fā)器不再需要一個單獨的多路選擇器，因此進(jìn)一步減少了功耗和面積；第三，面積的縮小可以降低物理設(shè)計時的布線擁塞度，對芯片的時序會有所改善，意味著芯片性能的提升。但與此同時會增加門控單元的代價以及時鐘線的負(fù)載，并且?guī)砹艘幌盗信c物理設(shè)計相關(guān)的問題，包括時序分析、可測性設(shè)計和驗證等[4]。
2 自動門控時鐘技術(shù)的應(yīng)用問題與解決方法
雖然自動門控時鐘技術(shù)理論上可以有效降低芯片功耗，甚至同時達(dá)到提高性能和減少面積的效果，但在當(dāng)今EDA工具發(fā)揮重要作用的芯片設(shè)計流程中，還缺乏完備的支持。例如在中科SoC和聚芯SoC1000A兩個版本中，都沒有采用這種方法。如果依靠全定制設(shè)計來解決，就限制了ASIC設(shè)計流程對自動門控方法的使用。
2.1 時序分析問題
時序問題是自動門控時鐘技術(shù)使用過程中最棘手的問題，其嚴(yán)重限制了這種技術(shù)的使用與推廣。本文分析了自動門控時鐘潛在的時序問題，并說明非理想時鐘情況下，傳統(tǒng)方法仍然可能導(dǎo)致門控后的時鐘產(chǎn)生毛刺并針對工程實現(xiàn)給出解決方法。
圖2所示是一個基本的門控單元。由于與門（AND）在時鐘樹上，CLK傳遞到ENCLK的延遲變大，因此DATAIN數(shù)據(jù)推遲到達(dá)寄存器排的Q端，DATAOUT后面的組合電路將要在不足一個時鐘周期內(nèi)完成，從而造成時序緊張。這種時序緊張只可能導(dǎo)致性能的下降而不會造成錯誤，但性能的下降也會帶來嚴(yán)重的后果。如圖3所示，EN由于其之前組合邏輯的作用產(chǎn)生一個毛刺（不足一個時鐘周期），此時經(jīng)過LATCH延遲delay時間后傳遞到ENL。假設(shè)CLK到達(dá)B點的延遲大于到達(dá)A點的延遲，即存在時鐘偏斜skew且大于delay，這樣ENCLK仍然會產(chǎn)生一個毛刺而不會被屏蔽，從而造成嚴(yán)重后果。
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為了防止時鐘產(chǎn)生以上分析的毛刺，只要門控時鐘的建立時間和保持時間都得到滿足，ENCLK就不會出現(xiàn)毛刺，并且可以在理論上得到占空比為1的時鐘波形。因此只要對布線后網(wǎng)表的門控邏輯進(jìn)行精確的靜態(tài)時序分析（簡稱STA）[4]，就可以保證自動門控時鐘技術(shù)的可靠性。在一個電路中，門控時鐘的建立時間和保持時間如何計算是一個復(fù)雜的過程，本文將針對Artisan 0.18 μm工藝進(jìn)行實驗和分析。
2.2 可測性設(shè)計問題
半導(dǎo)體在制造過程中可能帶入各類失效，例如材料的缺陷以及工藝偏差都可能導(dǎo)致芯片中電路的短路、斷路以及器件節(jié)點間穿通等問題，而這樣的物理失效必然導(dǎo)致電路功能或者性能方面的故障。結(jié)構(gòu)化測試可以定位生產(chǎn)制造過程中的故障，并且確保連線、晶體管等基本成分生產(chǎn)制造的正確性。為此原始設(shè)計需要加入只在測試過程中才使用的測試邏輯，以便于高質(zhì)量測試向量的自動產(chǎn)生，同時也提供診斷失效器件的高效率方法，通常稱這一過程為可測性設(shè)計（簡稱DFT）[5]。
本文關(guān)注的主要內(nèi)容并不是DFT，但加入自動門控而不對原有DFT進(jìn)行改動則會影響設(shè)計的可測性。例如，在沒有加入自動門控時鐘的設(shè)計中，所有觸發(fā)器鏈接成一條掃描鏈，它們的CLK端（時鐘端）與芯片時鐘直接相連，以促使測試數(shù)據(jù)的傳遞。而在加入自動門控時鐘之后(如圖4所示)，門控觸發(fā)器的CLK端并不與時鐘直接相連，當(dāng)其之前的門控使能信號EN為低時，深色區(qū)域的電路將不具有可測性，從而影響掃描鏈的正常工作。當(dāng)然可以將這類觸發(fā)器從掃描鏈中刪除，但后果是部分電路的可控性和可觀察性都將降低，而當(dāng)這類觸發(fā)器占有相當(dāng)大數(shù)量時，芯片的故障覆蓋率（Fault Coverage）將會大幅度降低。
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2.3 面積問題
自動門控時鐘方法除了可以降低時鐘網(wǎng)絡(luò)的功耗，還可以減少綜合后邏輯的面積，這是因為門控時鐘方法可以消除大量反饋電路的多選器，取而代之的是一個LATCH和一個與門。表1列出Artisan 0.18 μm工藝庫中的一組真實的多選器、LATCH以及與門的面積。數(shù)據(jù)表明，如果使用該工藝庫，兩個多選器的面積相當(dāng)于一個門控單元(含一個LATCH和一個與門)的面積。因此當(dāng)寄存器排中觸發(fā)器的數(shù)量即位寬（Bit Width）超過2時，使用門控時鐘方法將減少面積，而當(dāng)位寬增大時，面積減小的效果會更加明顯。
EDA工具提供了靈活的選項供設(shè)計者使用，用戶可以選定當(dāng)寄存器排中觸發(fā)器數(shù)量超過特定數(shù)值時，才自動插入門控時鐘單元。例如使用Artisan 0.18 μm庫時，可以選擇當(dāng)寄存器排的位寬超過2時，對該寄存器排插入門控。
2.4 等價性驗證問題
等價性驗證比較RTL級與門級或門級與門級來保證設(shè)計沒有偏離初始的設(shè)計意圖。在一個典型的流程中，用戶經(jīng)常使用等價性驗證比較RTL源碼與綜合后門級網(wǎng)表的邏輯功能等效性。這個過程通常用于整個設(shè)計周期，例如在掃描鏈插入、時鐘樹綜合、優(yōu)化、手工網(wǎng)表編輯等流程中，以便在流程的每一階段都能在門級維持原始的功能。這樣，在整個設(shè)計周期中就不再需要耗時的門級仿真，大幅度提高了設(shè)計和驗證效率。
Formality是Synopsys公司推出的高性能、高速度的全芯片的形式驗證工具[6]，但是在自動門控插入后，RTL源代碼與其門級網(wǎng)表不再等價。為此，需要在Formality環(huán)境中添加涉及門控時鐘插入的配置如下：
fm_shell>set verification_clock_Gate_hold_mode any
這樣，就可以精確得出RTL源代碼與其綜合而成的門級網(wǎng)表是否邏輯等價。
3 實驗結(jié)果與分析
3.1 自動門控時鐘技術(shù)的邏輯綜合與結(jié)果分析
選擇對聚芯SoC1000C的CPU核進(jìn)行實驗，這是因為其功耗比重最大（原始方法達(dá)70%），時鐘單一（除接口模塊和EJTAG模塊之外整個CPU核只有一個時鐘），功耗優(yōu)化過程易于實現(xiàn)且效果明顯。為保證功耗分析的精度，實驗采用Artisan公司0.18 μm工藝庫進(jìn)行綜合并進(jìn)行物理設(shè)計，對帶有電容和延遲信息的門級網(wǎng)表進(jìn)行功耗計算。實驗工具選用了工業(yè)界主流的EDA軟件：綜合選用Synopsys公司內(nèi)嵌Power Compiler的Design Compiler，仿真選用Cadence公司的NCVerilog，功耗計算選擇Synopsys公司的Power Compiler和Prime Power，物理設(shè)計選用Synopsys公司的Astro。
與自動門控時鐘技術(shù)實現(xiàn)相關(guān)的綜合腳本如圖5所示，包含門控時鐘單元風(fēng)格的定義、最小位寬定義、門控相關(guān)的時序檢查、DFT信號的連接等命令。為保險起見，參考前述Hspice的仿真結(jié)果，將門控時鐘的建立時間和保持時間檢查保守地設(shè)為0.25 ns。
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對聚芯SoC中除CPU核以外的其他部分的寄存器和可以門控的寄存器數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計。由于CPU核中觸發(fā)器數(shù)量占整個聚芯SoC的一半以上，甚至超過PowerPC 405LP的門控觸發(fā)器比例(Power PC 405LP中CPU和其他部分分別為80%與50%[Nowka02]），所以這種方法的效果將會非常明顯，甚至可以超過PowerPC 405LP。
為了分析自動門控時鐘技術(shù)芯片性能的影響，對比了原始版本和自動門控時鐘版本(分別采用test_mode和scan_enable兩種不同DFT方式)，綜合后的時序結(jié)果如表2所示。保持時間（hold time）通?？梢栽诤蠖宋锢碓O(shè)計時加以考慮和解決，因此可以暫時忽略。就建立時間(setup time)而言，門控的兩個版本的時序結(jié)果都會略優(yōu)于不帶門控的原始版本，其主要原因是由于面積從原始的6 053 441μm2分別減少到5 690 474 μm2(test_mode)和5 527 114μm2(scan_enable)，分別減少了6%和9%，從而使布線擁塞度顯著降低，更加便于物理上的布局布線。
3.2 功耗仿真與分析
本文最終利用test_mode的門控版本網(wǎng)表進(jìn)行進(jìn)一步的物理設(shè)計和功耗分析實驗。在運行Dhrystone測試下，整個聚芯SoC1000C功耗為0.564 W，內(nèi)部各IP核功耗分布如圖6所示，其中CPU核功耗為0.252 W，其內(nèi)部各模塊功耗分布如圖7所示。研究發(fā)現(xiàn)，即使在聚芯SoC1000C中添加了MAC和CAN等IP核，同聚芯SoC1000A的0.99 W功耗相比，整個芯片仍然降低了43%的功耗。由于CPU采用了自動門控時鐘技術(shù)，功耗比例降低為整個芯片的47%，而內(nèi)部RAM所占的比例加大，這是由于自動門控時鐘技術(shù)降低帶有觸發(fā)器的時鐘網(wǎng)絡(luò)功耗，但并沒有能夠有效降低RAM功耗。
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本文以降低SoC中的時鐘網(wǎng)絡(luò)功耗為出發(fā)點，分析了現(xiàn)有自動門控時鐘技術(shù)的工作原理，并提出該技術(shù)在ASIC設(shè)計應(yīng)用過程中的困難，結(jié)合當(dāng)今EDA廠商提供的軟件特性，提出了相應(yīng)的解決方案，從事實上緩解了設(shè)計難度并提高了設(shè)計的可靠性。本文提出的解決方法在聚芯SoC1000C的CPU核中進(jìn)行實驗，結(jié)果表明，該方法可以使整個芯片的功耗降低43%以上。在今后的工作中，將進(jìn)一步考慮這種方法在復(fù)雜的多時鐘域設(shè)計中可能存在的問題，并有望在聚芯SoC2000中得到進(jìn)一步應(yīng)用，從而大大降低SoC的時鐘功耗。此外，由于RAM的功耗比例變大，已經(jīng)成為功耗的瓶頸，因此下一步的工作將研究低功耗的RAM結(jié)構(gòu)。
參考文獻(xiàn)
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[6] Synopsys Formality User Guide[M].Release U-2005.06-QA，2005，6.