時(shí)鐘樹(shù)是什么？介紹兩種時(shí)鐘樹(shù)結(jié)構(gòu)

今天來(lái)聊一聊時(shí)鐘樹(shù)。首先我先講一下我所理解的時(shí)鐘樹(shù)是什么，然后介紹兩種時(shí)鐘樹(shù)結(jié)構(gòu)。

時(shí)序器件傳遞信號(hào)的時(shí)候需要依賴時(shí)鐘，而STA一項(xiàng)關(guān)鍵的檢查就是不能有setup/hold violation。如果對(duì)于同一時(shí)鐘域的兩個(gè)時(shí)序器件，如果他們接收到的時(shí)鐘之間有相位差，有可能會(huì)使setup/hold更難滿足，如果產(chǎn)生violation，芯片就會(huì)發(fā)生邏輯錯(cuò)誤。

而時(shí)鐘從時(shí)鐘源到sink是需要一定的傳播時(shí)間的，距離時(shí)鐘源越遠(yuǎn)的器件傳播時(shí)間越長(zhǎng)。

有的時(shí)候data的傳播方向和clock的傳播方向相同，如果不做任何時(shí)鐘樹(shù)處理，這種情況對(duì)setup有好處；有的時(shí)候data傳播方向與clock傳播方向相反，這就對(duì)hold有好處；而如果電路中存在反饋回路，那data傳播方向就不確定。

所以為了能使上述所有情況都有一個(gè)較好的時(shí)鐘性能，我們會(huì)希望時(shí)鐘到達(dá)每個(gè)時(shí)序器件的時(shí)間一樣，也就是傳播時(shí)間的差（skew）越接近0越好。時(shí)鐘樹(shù)的目的正是如此。因?yàn)闀r(shí)鐘樹(shù)實(shí)在太過(guò)重要，現(xiàn)在也是很多人研究的課題。

我想說(shuō)的第一種結(jié)構(gòu)就是H-tree。它的結(jié)構(gòu)確實(shí)很形象的像一棵樹(shù)，是應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)了。

對(duì)于一個(gè)四四方方完全對(duì)稱的芯片來(lái)說(shuō)，H-tree會(huì)先從root長(zhǎng)到整個(gè)芯片的中心，再分出兩個(gè)trunk到芯片左右兩側(cè)，分出的trunk與root相互垂直，每個(gè)trunk再分兩個(gè)垂直枝干出來(lái)……不斷這樣分下去，得到一個(gè)簡(jiǎn)單的分形結(jié)構(gòu)，最終的leaf連接到相應(yīng)的clock pin上。

這樣在物理上就可以保證每一個(gè)cell到root的走線長(zhǎng)度一致，相應(yīng)的net上的delay就會(huì)一樣，再加上整個(gè)tree上的buffer也都相同，就能保證傳播時(shí)間完全一致，從而實(shí)現(xiàn)skew為0. 當(dāng)然實(shí)際的芯片不會(huì)這么理想化，長(zhǎng)出來(lái)的H-tree也不一定像一個(gè)個(gè)H，但它的邏輯結(jié)構(gòu)是一樣的。

并且另外一種升級(jí)版的H-tree就不保證走線長(zhǎng)度一樣了，只要保證RC信息一致即可，好像可以稱為RC-tree（或者一般也就叫H-tree了）。

第二種結(jié)構(gòu)是網(wǎng)格狀的（mesh）。就是把時(shí)鐘樹(shù)的每一級(jí)做成一個(gè)網(wǎng)格，級(jí)與級(jí)之間用多個(gè)buffer相連，最終把最后一級(jí)mesh接到clock pin上。

可是這樣不就等于把多個(gè)driver的output接在一起了嗎？這在我們ERC檢查的時(shí)候是違反的呀？但是，制定output不能短接的依據(jù)是擔(dān)心一個(gè)output輸出1一個(gè)output輸出0，這樣會(huì)造成電源地之間的短路。

但是對(duì)于clock mesh來(lái)說(shuō)，它的buffer全部都是同時(shí)變化，永遠(yuǎn)是一樣的狀態(tài)，這也就使mesh成為可能。

但是，畢竟每個(gè)buffer到達(dá)的時(shí)間還是會(huì)有一丟丟的差別，還是會(huì)存在很短的瞬間電源和地在mesh上發(fā)生短路，再加上mesh本身就需要更多繞線，它的功耗是非常大的。另一個(gè)缺點(diǎn)就是會(huì)占用很多繞線資源。

但是mesh的skew容易做的更小，畢竟每一級(jí)它們的輸出都接在了一起，只有最后一級(jí)接在不同pin上。可以說(shuō)mesh是犧牲了功耗換取更小的skew。

現(xiàn)在大多數(shù)的design還是在利用傳統(tǒng)的H-tree，只不過(guò)它的變式很多。mesh結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，EDA tool也不能很好地自動(dòng)化完成，設(shè)計(jì)上相對(duì)更加困難。