RTL實例化的clock gating cell淺見

現(xiàn)在的深亞納米工藝的設(shè)計中，低功耗已經(jīng)是一個日漸總要的主題了，尤其是移動市場蓬勃發(fā)展起來之后，功耗的要求越來越嚴格，據(jù)傳，在高級的手機系統(tǒng)開發(fā)的過程中，系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計，已經(jīng)精確到每一個服務(wù)模塊的毫安時（mAH）的級別，所以如果你的芯片功耗控制不下來，很有可能會被手機生產(chǎn)廠家踢出局。

在低功耗的世界里，我們有很多方法可做，譬如提高設(shè)計工藝（工藝節(jié)點越高，功耗就越小）UPF策略，代碼優(yōu)化等等。其中的clock gating方法就是一個解決內(nèi)部功耗的有效辦法

Clock gating從原理上講，就是在FF的clock 的輸入通路上，加入額外的邏輯，來使得FF在不發(fā)生變化的情況下，clock端沒有反轉(zhuǎn)，如果不采取這個策略，那么FF的clock pin是長時間翻轉(zhuǎn)的，在D/Q都不翻生變化的時候，帶來了額外功耗消耗，采用clock gating就可以有效境地這種損耗

從用途上講，一般將Clock gating分為如下兩類：

1：RTL實例化的clock gating cell

在很多的前端設(shè)計中，我們都會認為的實例化primitive clock gating cell，這里是按照前端的設(shè)計要求來的，一般這樣的GC都是接近于clock 的源頭，譬如一個模塊的輸入clock，我們使用一個實例化的GC來作為這個clock 的控制端，在不需要的時候，可以直接使用寄存器把他關(guān)斷，從而達到節(jié)省模塊級power的目的

這種GC結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上后端是不用干預(yù)的，但是由于這種GC的fanout 都很大，在某種情況下可能會引起比較悲觀的setup violation。這個我們會在后邊仔細描述

2：綜合工具推斷出（inferred ）clock gating cell

這種推斷出的CG是基于綜合器對RTL的理解，首先，我們的設(shè)計需要遵循一定得大媽風(fēng)格（coding style），這是工具分析的基礎(chǔ)，我們來看下面這段代碼

藍色箭頭所指是clock的edge檢測，這里是一個if 語句的開始，而后如橙色箭頭所指，在clock edge的這個function里邊，使用EN來做判別，如果EN為1的時候，產(chǎn)生賦值操作，這是一個標準的帶同步enable的寄存器語法。
綜合器會按照約定的規(guī)則來解析rtl code，然后產(chǎn)生對應(yīng)的網(wǎng)表。按照通常的綜合結(jié)果（compile_ultra），會得到下面這個結(jié)果

模塊輸入端的clock port會直接連接到所有的FF clock pin 上邊，通常的器件庫里邊，沒有帶EN端的DFF，這是一種簡化設(shè)計，因為所有的FF EN pin，都可以和D pin做組合邏輯，從而達到控制輸出的結(jié)果。從土里可以看到，這里的EN也是被拉到了FF’D pin前級的組合邏輯的輸入端，從而達到控制FF輸出的結(jié)果。

這個時候，是沒有clock gating的設(shè)計的，工具嚴格遵守RTL的設(shè)計產(chǎn)生了這段網(wǎng)表結(jié)構(gòu)。

如果在綜合的時候，打開inferred clock gating 選項（compile_ultra –gate_clock），這個時候會得到下面的這個結(jié)構(gòu)。

這個時候的網(wǎng)編結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，在緊跟clock port的后面，多了一個CG，EN的port 從之前的鏈接到各個FF 的D pin，到現(xiàn)在只連接到了clock gating cell的en pin上，通過控制FF的clk pin，來達到僅在EN使能的時候翻轉(zhuǎn)clock來刷新FF的輸出，從而達到省電。

由于在沒有使用CG之前，由于FF需要不停地刷新，DC為了保障FF的輸出在EN端非使能的時候保持當前狀態(tài)，所以一定有一條從Q到D的回路來保證FF的輸出保持不變，類似下圖

FF’D pin 前面的是一個四輸入與或門，在EN為0的時候，F(xiàn)F會把Q的值反復(fù)刷新，盡管輸出Q不改變，但是短路功耗是少不了的。

在使用了gate clock 以后，F(xiàn)F的結(jié)構(gòu)變成了

可以看到，這里的FF的D輸入端，變得更為簡單了，以為所有前后級都被掛載到了同樣的CG下面，只有當CG有輸出clock的時候，這些FF才進行工作，工具就不用創(chuàng)建那些組合邏輯來考慮EN不使能的情況了。
就相同設(shè)計的面積比較，采用inferred CG策略的結(jié)果還可以節(jié)省面積

Area with CG: 8.0997
Area without CG: 8.3790

在一個3M gate-count的完整設(shè)計里邊，可以看到，當打開gate_clock選項的時候，會增加大約7k的CG cell，時序邏輯大概增加了6%的面積，但是整個設(shè)計的std-cell的面積（組合加時序）反而降低了4%，從這方面看，綜合器的這個功能對絕對面積和功耗都是有貢獻的

討論完CG的好處后，我們再來看一下Clock gating 的類別：

先看一下這個表格。通常上來講，CG分為兩類，一種是帶latch的，另外一種是不帶

latch的，由組合邏輯構(gòu)成。

這里的模型規(guī)則如下

Posedge：
o Latch based：clk負沿敏感的latch
o None-latch：非或門結(jié)構(gòu)的CG
Negedge：
o Latch based：clk正沿敏感的latch CG
o None-latch：與門結(jié)構(gòu)CG
Pre-control：
o Latch based ：latch的EN輸入前插入一個或門，從而帶入TE的管控
o None-latch： 在組合邏輯的EN輸入側(cè)插入一個或門，從而帶入TE的管控
Post-control：
o Latch based ：latch的output輸出后插入一個或門，從而帶入TE的管控
o None-latch： 不支持
Observe:
o再有pre/post control的設(shè)計中監(jiān)控與門中非TS管控測的信號

借用新思的電路圖來給大家詳細的示例（侵刪）

由于clock是敏感信號 ，一般推薦使用latch-based gating CG，這要可以有效地過濾EN上的毛刺。

有了上邊的知識，那么工具是如何識別和插入CG的的呢？

在綜合的時候，需要在你的綜合環(huán)境里邊定義工具自動插入時可已使用的CG cell類型，然后喚起compile_ultra命令即可完成CG插入：

set_clock_gating_style -pos {integrated:CG_CELL_NAME} -control_point before -num_stages 4
compile_ultra –gate_clock

用戶可以在compile結(jié)束后，使用report_clock_gating命令來查看數(shù)據(jù)庫里邊的CG情況。

這個報告很有意思，他可以打印出數(shù)據(jù)庫里所有被CG控制的FF的情況，同時也會列出來沒有被CG控制的FF的情況，并且會生成一些比率報告，有興趣的同學(xué)可以仔細了解一下。

此外，這里邊的CG_CELL_NAME，這個cell是一個真實存在在你的std-cell庫里的實際CG，并且這個lib_cell必須要有一個特殊的屬性：

DC只有看到這個屬性的時候，才會認為這是一個真實可信的CG。而后按照他后邊屬性說明來進行inferred CG insertion，后面的屬性無外乎我們前面表格里邊羅列的那些屬性，具體名詞如下：

當然，DC也支持一些組合邏輯的CG的創(chuàng)建，如果你使用如下命令，DC會插入相應(yīng)的none-lath結(jié)構(gòu)的CG

set_clock_gating_style -pos {buf nand inv}

在同步設(shè)計的架構(gòu)下，不推薦使用這樣的gating 結(jié)構(gòu)，由于這是拿兩三個蘇合邏輯器件搭乘的，后期的timing closure是很難做的，推薦使用library里邊latch-based的CG。

上邊用了一定的篇幅講述了一下CG的特點、原理和初步實現(xiàn)。但是這還沒有結(jié)束，應(yīng)為還有l(wèi)ayout的實現(xiàn)要考慮

Clock_gating作為clock tree的一部分，在做layout的時候，有更多的因素需要考量

首先，所有的latch based CG都有一組setup/hold timing arc，就是clk –> EN的timing check

其次，在CTS的時候，clock-gating被當作了一個none-stop pin而非一個stop pin如下圖示例：

工具會balance 后面四個被gating 驅(qū)動的FF（stop pin）之間的skew，但是CG是它們的clock 的driver，不難想象，CG EN的latency（T_latch）一定小于CG fanout FF的clock latency（T_FF），這是一個永遠不能改變的事實。在某些情況下會帶來CG setup violaoiton，如下圖：

如果有一條正面這樣的data path存在，那么launch clk (FF) 一定是晚于capture clk （CG），在高頻和復(fù)雜datapath的情況下，這樣的timing是很難修復(fù)的

所以要在CTS之前解決或者簡化這個問題，

解決這個問題的關(guān)鍵就是，讓CG clock latency（T_latch）和fanout FF clk latency（T_FF） 盡可能的足夠小。

要讓前后兩級的clock latency的差值足夠小，其中有一個方法就是讓他們的擺放足夠近，在綜合結(jié)束后，通過report_clock_gating的report可以看到所有CG和他的fanout的列表，這個時候，我們通過第一版的CTS結(jié)果，可以評估出那些FF-CG的timing是有困難的，這些FF以及他們的CG使用relative placement的方法，讓工具在place 的階段就把他們擺放的足夠近，從而在物理距離上來解決這個CG 的setup 問題。

審核編輯：劉清