基于柔性H树的CPU时钟树分析及优化

摘要

时钟信号通常是芯片中翻转频率最高、互连线最长、负载最大的信号，并且是电路正常工作的基准。时钟信号必须保证芯片处于最差环境时，最关键的路径也能满足时序要求，否则时序不收敛的情况下就有可能引起时序紊乱，导致芯片无法正常工作。而随着集成电路工艺尺寸的不断缩小以及规模的不断增大，传统的时钟树综合（Clock Tree Synthesis）方案越来越难以满足芯片对时钟信号的要求。因此，很多关于时钟树顶层结构的实现策略被人们发现并应用于芯片设计当中，H树就是其中一种常用的结构。 目前H树结构被广泛应用于超大规模集成电路（VLSI）设计当中，以解决驱动能力以及偏差组间平衡所面临的问题，并最大限度地获得时序收敛。这种结构目前也被各大主流EDA工具厂商所支持。柔性H树（Flexible H-tree）就是Cadence公司的数字后端物理设计EDA工具INNOVUS对H树结构的一种实现方法和优化方案。它能够在H树结构的基础上使得tap点的分布更加灵活，从而最大化地保留H树结构的优点，进而更好更快地实现时钟树综合。 通过柔性H树完成CPU时钟树的顶层设计，能够更好地满足CPU苛刻的时序要求。使CPU在较高的主频下仍能稳定地工作。本文通过对比传统时钟树综合与基于柔性H树的时钟树综合的结果，研究柔性H树在超大规模集成电路，尤其是CPU设计中带来的好处。 本文在国内外相关研究的基础上，以40nm工艺下一款高性能CPU的时钟树结构及其设计实现为研究对象，结合芯片的后端物理设计流程，对柔性H树展开深入研究。首先对传统时钟树综合未能满足时序收敛的原因进行分析，发现需要从降低时钟偏差入手解决时序收敛问题。然后对柔性H树解决时钟偏差以及时序收敛问题的可行性进行理论分析。接着完成Falcon_cpu的柔性H树时钟树综合，并从顶层时钟信号线的绕线规则、柔性H树叶节点的分布以及门控时钟的驱动距离等角度进行深入优化。最后通过对比传统时钟树综合和柔性H树时钟树综合的结果，发现采用柔性H树实现时钟树的顶层设计能够使时钟偏差降低65.7%，并最终解决了传统时钟树综合所不能解决的时序收敛问题。从而论证了柔性H树在Falcon_cpu的时钟树综合优化过程中起到了积极的作用。

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