文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.011
中文引用格式： 許谷涵，嚴(yán)偉，朱兆偉，等. 千萬(wàn)門級(jí)模塊魚骨型時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(8)：53-55，59.
英文引用格式： Xu Guhan，Yan Wei，Zhu Zhaowei，et al. Implementation of FISHBONE-based clock structure in ten-million gates block[J].Application of Electronic Technique，2016，42(8)：53-55，59.
0 引言
現(xiàn)階段在芯片后端設(shè)計(jì)過(guò)程中分割產(chǎn)生的模塊規(guī)模越來(lái)越大，單模塊規(guī)模最大已經(jīng)達(dá)到千萬(wàn)門級(jí)。千萬(wàn)門級(jí)模塊中時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，功耗占比大[1]，是芯片設(shè)計(jì)中的棘手問(wèn)題。在28 nm工藝節(jié)點(diǎn)之后由于連線間距進(jìn)一步縮小到0.1 μm以下，插入過(guò)多的緩沖單元會(huì)使得繞線變長(zhǎng)，產(chǎn)生很大的時(shí)鐘延遲和功耗，在千萬(wàn)門級(jí)模塊中，時(shí)鐘延遲甚至可以達(dá)到一個(gè)周期以上。魚骨型時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘根節(jié)點(diǎn)到時(shí)鐘末端級(jí)數(shù)少，可以節(jié)約功耗和面積[2]，在千萬(wàn)門級(jí)模塊中，不論從功耗、延遲，還是從可靠性的角度上看，網(wǎng)型的魚骨結(jié)構(gòu)相比于不定型時(shí)鐘樹應(yīng)該會(huì)有一定優(yōu)勢(shì)[3]。
1 單魚骨型時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)
單魚骨型（FISHBONE）時(shí)鐘樹的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)千萬(wàn)門級(jí)模塊而言，使用單魚骨樹來(lái)平衡所有的寄存器和宏單元，會(huì)造成延遲過(guò)大、驅(qū)動(dòng)能力不夠等一系列問(wèn)題。
圖1 單魚骨型時(shí)鐘結(jié)構(gòu)
因此，我們提出一種寄存器與宏單元分離的多主干驅(qū)動(dòng)的復(fù)合型時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)（H-FISHBONE）。如圖2所示，H-FISHBONE由多個(gè)驅(qū)動(dòng)寄存器的魚骨樹和多組復(fù)合驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的宏單元塊構(gòu)成，二者分別經(jīng)多級(jí)驅(qū)動(dòng)連接至?xí)r鐘根節(jié)點(diǎn)。
圖2 H-FISHBONE結(jié)構(gòu)
2 H-FISHBONE的實(shí)現(xiàn)流程
H-FISHBONE具體實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示，本文以YCU-AM模塊為例，闡述在后端設(shè)計(jì)過(guò)程中，如何實(shí)現(xiàn)H-FISHBONE型時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)。YCU_AM模塊采用三星28 nm工藝，9層繞線金屬。供電電壓1 V，時(shí)鐘頻率200 MHz，版圖3 400 μm×3 590 μm，宏單元570個(gè)，共2 600萬(wàn)門。
圖3 H-FISHBONE實(shí)現(xiàn)流程
2.1 提取時(shí)鐘結(jié)構(gòu)，分析門控時(shí)鐘單元級(jí)數(shù)
用Primetime對(duì)初始網(wǎng)表進(jìn)行分析，采取時(shí)鐘路徑追蹤的方法可以得到詳細(xì)的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)，主要分析時(shí)鐘級(jí)數(shù)。如圖4所示，以時(shí)鐘根節(jié)點(diǎn)為第0級(jí)，按照與時(shí)鐘根節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系的級(jí)數(shù)，根節(jié)點(diǎn)后1~3級(jí)不等的門控單元（ICG）。
圖4 YCU-AM內(nèi)部時(shí)序器件級(jí)數(shù)關(guān)系簡(jiǎn)圖
2.2 多級(jí)時(shí)鐘門控單元展平化處理
多級(jí)時(shí)鐘門控單元的存在，不利于平衡時(shí)鐘漂移，所以要將多級(jí)門控時(shí)鐘單元展平化處理為一級(jí)，既能保持控制功耗的功能，也有利于時(shí)鐘漂移的平衡。由于DFT設(shè)計(jì)過(guò)程中，會(huì)將ICG復(fù)用到掃描鏈中，因此在工作（Function）模式下，需要先將ICG的掃描鏈?zhǔn)鼓芏巳窟壿嬤B接到邏輯低電平鉗位單元（TIE-0），然后調(diào)用ICC的flatten-clock-gating引擎進(jìn)行展平化處理，為保證展平化過(guò)程精準(zhǔn)及節(jié)省運(yùn)行時(shí)間，我們要為ICC指出處于二、三級(jí)的ICG。
2.3 分離宏單元和寄存器
對(duì)于千萬(wàn)門級(jí)模塊，大量的宏單元和寄存器連在同一單魚骨樹上，將不利于平衡時(shí)鐘漂移和時(shí)序收斂。因此我們將宏單元和寄存器拆分，對(duì)宏單元用復(fù)合驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)構(gòu)建多組宏單元塊，對(duì)寄存器構(gòu)建多組FISHBONE。最后進(jìn)行FISHBONE和宏單元塊的再平衡。拆分時(shí)，對(duì)于同寄存器有共同ICG連接關(guān)系的宏單元，在ICG的輸入端引入一個(gè)與其相同類型的偽ICG，將宏單元重新連接到偽ICG上，以保證宏單元的各種輸入條件不變；在時(shí)鐘根節(jié)點(diǎn)隔離單元之后插入兩個(gè)并聯(lián)的驅(qū)動(dòng)單元，分別連接宏單元與寄存器。
2.4 插入偽ICG解高扇出(High Fanout)
由于標(biāo)準(zhǔn)單元驅(qū)動(dòng)能力有限，如果其驅(qū)動(dòng)的負(fù)載電容過(guò)大會(huì)產(chǎn)生高扇出問(wèn)題。我們采取克隆高扇出ICG的方法，克隆出的ICG稱偽ICG。偽ICG是按照距離自動(dòng)尋址的方式插入，先尋找高扇出ICG最近的寄存器，插入第一個(gè)偽器件，偽器件驅(qū)動(dòng)其周圍70×70范圍內(nèi)的負(fù)載（根據(jù)負(fù)載的多少適當(dāng)減增范圍），然后由近及遠(yuǎn)插入多個(gè)偽器件。
2.5 多組FISHBONE的構(gòu)建
如圖4所示，F(xiàn)F1和FF2之間相差一級(jí)門控時(shí)鐘單元的單元延遲，要插入一個(gè)與所用ICG單元延遲相近的緩沖單元，用來(lái)平衡FF1和FF2之間的延遲。經(jīng)過(guò)以上幾步，得到時(shí)鐘結(jié)構(gòu)連接關(guān)系如圖5所示，其中G是偽ICG，B是平衡緩沖單元，H是插入FISHBONE三級(jí)驅(qū)動(dòng)的位置。構(gòu)建FISHBONE的個(gè)數(shù)，需根據(jù)負(fù)載的數(shù)量和分布來(lái)確定。本設(shè)計(jì)有44 000個(gè)負(fù)載（均勻分布在大約3 000×3 000的范圍內(nèi)），從均勻性和最簡(jiǎn)化角度考慮，將版圖分為6個(gè)區(qū)域進(jìn)行多魚骨樹的構(gòu)建，每個(gè)單魚骨樹驅(qū)動(dòng)7 000-8 000個(gè)負(fù)載。如圖6所示。
圖5 連接關(guān)系圖
圖6 FISHBONE主干的位置分布
FISHBONE的構(gòu)建有以下幾個(gè)重要參數(shù)：(1)金屬線分布屬性；(2)驅(qū)動(dòng)比（drive-rate=total load/L3driver）；(3)驅(qū)動(dòng)單元間隔（row-step）。由于高層金屬的抗電遷移能力更強(qiáng)，并且對(duì)下層的噪聲影響也小很多，所以選擇高層金屬來(lái)構(gòu)建FISHBONE。本設(shè)計(jì)選擇橫向走線的IA層為主干位置，驅(qū)動(dòng)分支設(shè)定在M7。
驅(qū)動(dòng)比用于確定各級(jí)緩沖單元的數(shù)量，本設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)比設(shè)置為40，可根據(jù)負(fù)載數(shù)量以及之后的靜態(tài)時(shí)序分析結(jié)果適當(dāng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)比。驅(qū)動(dòng)單元間隔，需要是布局通道（Row）的整數(shù)倍，本設(shè)計(jì)設(shè)置為2，可根據(jù)主干金屬線長(zhǎng)度適當(dāng)增減。本設(shè)計(jì)單魚骨樹詳細(xì)布線如圖7所示。
圖7 FISHBONE詳細(xì)布線圖
2.6 FISHBONE和宏單元塊的再平衡
宏單元和FISHBONE分別是由多組復(fù)合驅(qū)動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)，與時(shí)鐘根節(jié)點(diǎn)的距離和負(fù)載大小不同，選擇的多級(jí)驅(qū)動(dòng)也不同，因此在完成以上步驟之后，要進(jìn)行寄生參數(shù)的提取和靜態(tài)時(shí)序分析，對(duì)比各個(gè)部分的時(shí)鐘延遲，適當(dāng)調(diào)節(jié)部分參數(shù)（復(fù)合驅(qū)動(dòng)的級(jí)數(shù)、驅(qū)動(dòng)比、驅(qū)動(dòng)間距、主干、分支金屬寬度等）用以平衡時(shí)鐘漂移。
3 分析結(jié)果
如表1分別是YCU_AM進(jìn)行時(shí)鐘樹綜合（CTS）實(shí)現(xiàn)不定型時(shí)鐘樹、實(shí)現(xiàn)單魚骨樹以及本文方法實(shí)現(xiàn)H-FISHBONE的三組時(shí)序結(jié)果對(duì)比。從表中可以看出，單魚骨樹時(shí)鐘漂移竟然達(dá)到2 ns，不適用于千萬(wàn)門級(jí)模塊，相比不定型時(shí)鐘樹，H-FISHBONE平均時(shí)鐘延遲降低了約47%，時(shí)鐘漂移降低了約35%。分別對(duì)實(shí)現(xiàn)CTS和H-FISHBONE后模塊行功耗分析，測(cè)試端角ml-cworst-125c-min，測(cè)試信號(hào)翻轉(zhuǎn)率為0.1，靜態(tài)概率0.5。得到結(jié)果如表2、表3所示；可以看出使用H-FISHBONE模塊單元內(nèi)部功耗降低約13%，動(dòng)態(tài)翻轉(zhuǎn)功耗降低約31%，使得模塊整體功耗降低約5%。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文針對(duì)千萬(wàn)門級(jí)以上模塊提出了改進(jìn)型的H-FISHBONE型時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，以2 600萬(wàn)門YCU_AM模塊為例介紹了H-FISHBONE在后端設(shè)計(jì)過(guò)程中的實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)H-FISHBONE在降低時(shí)鐘延遲和動(dòng)態(tài)功耗上有顯著的優(yōu)勢(shì)，為千萬(wàn)門級(jí)模塊提出了一種在時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方面減小時(shí)鐘偏斜和降低功耗有效可行的方法。
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