一种快速实现时序收敛的设计方法

为了解决处理器时序收敛困难和设计时间长的问题,本文基于14 nm的定制化处理器(WS_CPU)提出了一种高效可靠的设计方法:(1)基于一种新型的FCHT(Flexible Configurable H-Tree)时钟结构,实现时钟信号均匀分配和减少绕线时间,同时采用CCOPT(Clock Concurrent Optimization)技术进行时钟树综合优化;(2)在综合阶段采用DCG(Design Compiler Graphical)模式和门控时钟插入技术,提前评估设计风险从而减少布局布线的迭代时间。验证结果表明,当WS_CPU时钟频率为1 GHz时,寄存器之间建立时间的时序余量为108 ps,有效地实现了时序快速收敛,同时FCHT结构相比传统平衡树、柔性H树、3级H树的芯片总功耗分别减少了7.71%、6.18%、7.87%;FCHT时钟结构相比传统平衡树在时序修复上节省了3156 min,相比柔性H树节省了5220 min的时序修复时间,缩短了芯片的设计周期。

一种低功耗时钟树综合的寄存器聚类方法

随着集成电路制造工艺的进步与芯片集成度的提升,对于低功耗芯片的需求越来越大.时钟网络功耗占芯片总功耗的40%以上,优化时钟网络的功耗已成为高性能集成电路设计中最重要的目标之一.本文提出了一种新的寄存器聚类方法来生成时钟树的叶级拓扑结构,通过限制群组的扇出、负载和范围,对寄存器进行合理分组,减少了缓冲器的插入数目和总布线长度,有效降低时钟网络功耗.将该方法整合到传统的时钟树综合(CTS)流程中,在ISCAS89基准电路上测试并分析其有效性.实验结果表明,该寄存器聚类方法在不影响时钟树最大延时的情况下,有效减少了时钟网络20%以上的功率耗散和20%以上的时钟偏移.

低功耗时钟树

提出一种最大可能满足时序且功耗最小化的时钟树设计方法,该方法以扇出数和驱动器选择策略作为低功耗时钟树设计的优化变量。针对不同的扇出数,以选择标准单元库中全部反相器/缓冲器的驱动器选择策略为参考策略,与本文提出的3种选取部分反相器/缓冲器的驱动器选择策略进行对比分析,同时提出以时钟树的时钟偏差值和功耗值组成的优值因子作为评价各种驱动器选择策略的标准。实验结果表明,以优值因子为评价标准,时钟树设计中的最优扇出数与驱动器选择策略相关性不大,且本文提出的3种驱动器选择策略都比参考策略要好,其中在优值因子最好的一个策略中,典型情况下时钟树功耗降低5.82%。最后,总结出一种基于优值因子的低功耗时钟树设计方法。

TSN中时间同步技术研究及实现

时间敏感网络(TSN)对在以太网上传输的时间敏感流进行确定性控制,保证了网络传输实时数据的能力。时间同步是TSN技术中的基石,保障了网络数据传输的实时性和确定性。首先对建立时钟同步生成树和选择最佳主时钟的过程进行介绍;然后对路径延迟时间计算的原理进行描述;进而重点论述了各节点中进行时间同步时的计算推导过程。最后探索了一种流量整型技术,通过一个实验展示了时间同步在TSN流量整型中的重要作用。

一种改进型FBT时钟树结构

针对混合型鱼骨平衡树(FBT)时钟结构的优缺点,结合宏单元的特性,提出了一种针对触发器与宏单元共存的改进型FBT时钟树结构,并总结出一种快速实现该时钟树的方法。在相同条件下,采用该方法实现的时钟树结构与二叉树型、鱼骨型时钟结构和传统的FBT时钟树结构进行比较,结果显示:鱼骨型时钟结构的时序质量最差;改进型FBT时钟树比二叉树型时钟树减少了15%的时钟延时和35%的时钟偏差,且整个过程的实现时间是传统FBT时钟树的30%。

ASIC后端设计中的时钟偏移以及时钟树综合

目前的ASIC设计中,时钟偏移成为限制系统时钟频率的主要因素,时钟树综合技术通过在时钟网络中插入缓冲器来减小时钟偏移。但是,有时这样做并不能达到系统要求的时钟偏移。以一款SMIC0.18μm工艺的DVBT数字电视解调芯片为例,分析了时钟偏移的产生原因。介绍了使用Synopsys公司Astro工具进行时钟树综合的方法,重点分析了在时钟树综合之前如何设置约束手动优化电路从而改善设计的时序,最后的流片结果证明该方法是有效的。

基于时钟树功耗预提取的SoC功耗估计方法

精确评估系统芯片(System-on-a-Chip)在各种不同工作状态下的功耗需要仿真不同的向量集。评估过程中很大一部分计算花费在时钟树功耗上。通过对芯片功能的分析,可以将时钟树功耗单独提取并加以计算,然后只需要每次计算出芯片其它部分在各种工作状态下的功耗,即可得到系统的总功耗。在“中科SoC”设计中的实践可以看出,该方法同传统方法相比可以节省10%以上的计算时间和大约13%的磁盘存储空间,而功耗估计偏差不到0.1%。

同步数字系统时钟分布及偏斜补偿技术研究

本文从时钟系统的两个主要参数——时钟偏斜和抖动对系统性能的影响入手,对现有的高性能VLSI同步数字系统中的时钟分布网络和偏斜补偿技术进行了研究和分类,并从体系结构、偏斜补偿的精度、抖动、功耗以及实现的难易度等方面对各种补偿技术进行了比较和分析。

层次化时钟网络设计研究

层次化设计是复杂芯片开发所采用的主流方法,它是一种自底向上的流程.但层次化设计也带来了时钟树设计难以掌握的问题.文中针对一款复杂SoC系统芯片时钟树设计,详细分析了层次化时钟树综合需要解决的关键难点,并提出了有效的解决方案.实验结果表明,该设计方案可以迅速达到时钟树收敛,提高设计效率.

同步数字集成电路设计中的时钟树分析

时钟树的设计是同步数字集成电路设计中的一个重要部分,对系统的性能和可靠性有很大影响.文中介绍了同步数字系统的组成和时钟偏移的定义,提出了一种时钟树结构的设计方法,基于该方法用布局布线工具Astro对一个8051芯片进行了自动时钟树分析和指定结构的时钟树分析.结果表明,用文中方法设计时钟树结构能得到比自动时钟树分析更好的效果.文中还给出了设计中门控时钟问题的解决方法.

SoC设计中的时钟低功耗技术

针对时钟网络在SoC芯片中的作用和时钟网络自身的特点,研究并实现3种时钟低功耗技术,包括在系统级采用动态时钟管理技术动态地关断和配置芯片内各模块的时钟,在逻辑综合时基于功耗优化工具Power Compiler插入门控时钟单元,在时钟树综合时以时钟树规模为目标进行低功耗时钟树综合。在音视频解码芯片的设计中采用以上3种技术,结果表明其功耗优化效果明显。

前后端协同的时钟树设计方法

提出一种新的高平衡、高可靠性的前端可控时钟树设计方法,解决时钟树需要在后端工具中多次反复以达到满足性能和功耗要求的问题。阐述了从前端优化和后端约束2个方面入手解决时钟树设计中经常会遇到的问题。在此基础上,将前后端方法结合起来完成时钟树设计。结果验证该方法可以减少大约20%的功耗,同时节省了设计时间,该方法可以广泛应用于基于时钟的同步数字电路设计中。

基于C单元的抗干扰低功耗双边沿触发器

快速增长的功耗是VLSI设计中的重要问题,特别是输入信号中存在毛刺,双边沿触发器的功耗将会显著增大。为了有效降低功耗,提出了一种基于C单元的抗干扰低功耗双边沿触发器AILP-DET,结构采用快速的C单元,不仅能够阻塞输入信号存在的毛刺,阻止触发器内部冗余跳变的发生,降低晶体管的充放电频率;而且增加了上拉-下拉路径,降低了其延迟。相比现有的双边沿触发器,AILP-DET只在时钟边沿采样,有效降低了功耗。通过HSPICE仿真,与10种双边沿触发器相比较,AILP-DET仅仅增加了7.58%的延迟开销,无输入毛刺情况下总功耗平均降低了261.28%,有输入毛刺情况下总功耗平均降低了46.97%。详尽的电压温度波动分析表明,该双边沿触发器对电压、温度等波动不敏感。

基于28 nm工艺数字芯片的时钟树设计

针对纳米级设计中时钟偏移大、时序不容易收敛等问题,提出了一种有效的时钟树综合(CTS)优化方案。以28 nm工艺的数字芯片为例,根据其时钟结构特点,将CTS过程分成两步完成。利用这种方法,采用Cadence公司的APR工具Encounter对数字模块进行时钟网络的设计;对分步CTS和传统CTS两种方法进行比较。结果表明:使用分步CTS的时钟偏移减小了52%,提高了时钟网络的性能,从而时序得到了很大的改善,芯片泄漏功耗也降低了45%。

基于毛刺阻塞原理的低功耗双边沿触发器

当输入信号存在毛刺时,双边沿触发器的功耗通常会显著增大,为了有效降低功耗,提出一种基于毛刺阻塞原理的低功耗双边沿触发器。在该双边沿触发器中,采用了钟控CMOS技术C单元。一方面,C单元能有效阻塞输入信号存在的毛刺,防止触发器锁存错误的逻辑值。另一方面,钟控CMOS技术可以降低晶体管的充放电频率,进而降低电路功耗。相比其他现有双边沿触发器,该双边沿触发器在时钟边沿只翻转一次,大幅度减少了毛刺引起的节点冗余跳变,有效降低了功耗。与其他5种双边沿触发器相比,该双边沿触发器的总功耗平均降低了40.87%~72.60%,在有毛刺的情况下,总功耗平均降低了70.10%~70.29%,仅增加22.95%的平均面积开销和5.97%~6.81%的平均延迟开销。

基于28nm工艺的CCOpt技术高效时钟树设计

为了设计合理高效的时钟树网络,对建立和保持时间约束以及时钟偏差进行分析,基于28 nm工艺设计了一款高速数字芯片,采用Innovus工具实施布局布线,在时钟树综合(CTS,clock tree synthesis)阶段采用CCOpt(clock concurrent optimization)技术,合理利用时钟偏差,同时优化时钟路径和逻辑路径,对时钟网络进行优化,并考察时钟树延时、时序和时钟网络功耗等指标。结果标明:与传统CTS技术相比,采用CCOpt技术时,最差时序违例和违例路径数量减少50%;布局布线时间减少2 h;芯片时钟网络内部互连功耗减少55%,泄漏功耗减少80%,有效提高了数字芯片的性能。

基于55nm工艺的MCU低功耗物理设计

为了降低芯片的功耗,提高芯片的性能和可靠性,在传统数字芯片物理设计流程基础上,提出一种新的低功耗物理设计方法,包括布局(Placement)阶段采用SAIF文件进行低功耗的协同优化,并在布局结果基础上,通过手动配置时钟单元摆放来减小缓冲单元插入的方式进行低功耗的时钟树设计。结果表明:通过新的低功耗设计可以大幅改善芯片功耗,在布局阶段,芯片功耗降为原来的90.6%,建立时间的最差违例值由-6.021降为-0.880;时钟树综合(clock tree synthesis,CTS)阶段,功耗优化效果显著,时钟网络功耗降为原来的73.1%,总功耗降为原来的86.2%;时序得到改善,建立时间的违例总条数降为原来的12.5%,总违例值降为原来的3.0%,保持时间的违例总条数降为原来的39.8%,总违例值降为原来的7.5%。

基于门控时钟技术的IC低功耗设计

随着数字集成电路(IC)设计的规模不断增加,降低功耗变得愈加重要。通过对门控时钟技术实现方法的分析,介绍了门控时钟技术降低功耗的有效性。通过应用实例,对逻辑设计门控和存储器门控的具体实现方法进行了详细分析,证明了门控时钟技术能够在不增加物理设计复杂度的前提下,有效降低功耗。同时门控时钟技术还可以改善时序和芯片面积,对现有设计流程不会造成任何影响。

高性能VLSI设计中时钟分布网络的问题与解决方法

本文介绍了深亚微米工艺下高性能VLSI芯片中时钟分布网络设计所面临的问题,总结了时钟分布网络设计的一般方法,最后指出了时钟分布网络设计研究的发展方向。

一种低功耗集成电路的时钟分布策略

均衡时钟分布树在大规模数字集成电路实现中具有重要作用,其中H型树代表主流ASIC设计中时钟分布方式。H树过度依赖时钟缓冲器均衡分布算法,使时钟网络级数过高、存在较多冗余缓冲器,导致整体功耗过大。提出了一种新的低功耗分布方案,以去偏斜时钟电路的方式,将时钟树叶节点与根节点进行相位同步。此电路结合了SMD和DLL两种实现,即可以快速完成时钟同步,又可以在细粒度上进行微调,从而对以往此类方案进行改进。使用SPICE仿真和SOC Encounter布线工具进行仿真验证,结果表明此方案可以降低20%左右的功耗。