36、同步电路时钟技术详解

同步电路时钟技术详解

1. 电平敏感单相时钟分析

1.1 设置条件与保持条件

电平敏感单相系统中，组合逻辑在透明间隔 T1 开始时接收新数据，需在后续透明间隔结束前产生稳定结果。其设置条件为：
[max|tsk| ≤T_{clk} + T_1 −max(t_{pd lc} + t_{pd c} + t_{su la})]
此条件较易通过调整时钟周期 (T_{clk}) 满足。若累积锁存延迟、时钟偏斜和抖动未超过 (T_1) 提供的时间，组合逻辑有超过一个完整时钟周期来处理数据，电路可实现波流水模式。

数据在透明间隔 T1 开始时施加到锁存器，在该透明间隔结束前不能改变，保持条件为：
[max|tsk| ≤−T_1 + min(t_{cd lc} + t_{cd c} −t_{ho la})]
与边沿触发单相时钟相比，此保持条件下的偏斜裕度因 (T_1) 进一步减小，在无组合逻辑时可能为负，这表明设置条件的额外裕度是以牺牲保持条件为代价的。

1.2 时钟高相位 T1 的约束

保持条件方程对时钟高相位 (T_1) 施加了上限，同时双稳态器件对时钟宽度有最小要求，使得 (T_1) 有下限约束，最终得到双边约束：
[max(t_{clk hi min la}) ≤T_1 ≤min(t_{cd lc} + t_{cd c} −t_{ho la}) −|tsk|]

1.3 电平敏感单相时钟的优缺点

优点：
- 与两相设计相比，锁存器和时钟网络数量减半。
- 理论上，除一阶反馈回路计算外，有潜力将时钟周期缩短至逻辑传播延迟以下。

缺点：
- 由于透明间隔内反馈回路闭合，正确操作严重依赖时钟脉冲宽度、门延迟和互连延迟。
- 所有库单元必须精确表征其污染延迟。
- 互连延迟和布局寄生参数必须精确控制。
- 未检查的时序变化可能导致电路故障。
- 过早到达的信号需人工延迟，增加面积和能量成本。
- 需额外的污染延迟来获得足够的偏斜裕度。

电平敏感单相时钟的延迟调整与常规高生产率 EDA 设计流程不兼容，尽管曾成功应用于超级计算机，但在现代设计中面临诸多挑战。

2. 时钟波形与分布问题

2.1 时钟波形要求

时钟分布的主要问题是驱动大量分布在芯片、电路板或系统中的时钟子电路，同时将不可避免的偏斜控制在狭窄范围内。慢时钟斜坡存在诸多问题：
- 时钟单元开关阈值的差异会将斜坡时间转化为偏斜。
- 数据手册和仿真模型中的时序数据是在时钟斜坡为 50 ps 及以下时获得的。
- 慢斜坡时钟会使建立和保持时间增加，影响电路正确运行和时序精度。

因此，时钟信号必须快速从 0 到 1 再返回。

2.2 简单时钟分布的不可行性

将时钟像普通信号一样用标准最小宽度线连接所有时钟子电路到公共源是不可行的。例如，一个包含 500 个触发器的 CMOS IC 时钟域，采用 130 nm 宽的金属线分布时钟，形成 RC 网络，其延迟和斜坡时间分别约为：
[t_{pd wire} ≈0.4 R_{sct} C_{sct} # {sct}^2 = 0.4 R {wire} C_{wire} = 0.4 · 3500 Ω · 6 pF = 8.4 ns]
[t_{ra wire} ≈R_{sct} C_{sct} # {sct}^2 = R {wire} C_{wire} = 3500 Ω · 6 pF = 21 ns]
这些数值对于时钟来说是不可接受的。

2.3 解决时钟分布问题的思路

基于上述问题，有两个基本思路：
- 重新塑造和调整时钟网络的大小，以更好地控制和平衡互连延迟。
- 将芯片级时钟网络细分为多个较小的网络，每个网络配备自己的驱动器，降低互连长度、电容和电阻。

2.4 集体时钟缓冲器

集体方法使用单个缓冲器通过金属线直接连接所有时钟单元。为处理大扇出，缓冲器由多级增加驱动强度的阶段组成。为改善时钟分布效果，可采取以下措施：
- 时钟线尽可能短，驱动器靠近电路中心。
- 时钟分布线宽度适中，避免窄线高电阻和宽线电容主导问题。
- 使用上层金属层，因其电阻和电容较低。
- 避免不必要的层变化，减少接触和过孔带来的电阻。
- 使所有时钟路径在电气和几何上相似，均衡延迟。

集体时钟缓冲器虽有多种布局方案，但存在宽时钟线增加寄生电容和功耗、开关电流集中等问题。例如，一个包含 10000 个双稳态的电路，时钟驱动电流峰值可达约 2.9 A，时钟网络功耗约 86 mW。

2.5 分布式时钟缓冲树

由于对能源效率的关注，引入了门控时钟，促使设计者转向分布式时钟缓冲树。互连延迟与线长的平方成正比，将长线分割成多个较短段并插入缓冲器，可使总延迟与线长成线性关系：
[t_{pd rept} ≈# {seg} ( t {pd buf} + 0.4 R_{sct} C_{sct} ( \frac{# {sct}}{# {seg}})^2 ) = # {seg} t {pd buf} + \frac{0.4}{# {seg}} R {wire} C_{wire}]

分布式时钟树由靠近负载的多个中等大小的缓冲器组成，插入每个主要分支。与集体方法相比，无需大电流长距离传输，功耗分布在芯片面积上。但树状结构需要仔细匹配延迟，可采取以下措施：
- 分层划分设计，合理平衡时钟负载。
- 规划局部子树，根据负载大小调整时钟缓冲器。
- 优先使用上层金属层。
- 对过快的时钟路径插入额外缓冲器。
- 为微调，可在早期分支添加虚拟负载和迂回路径。

分布式时钟树在商业电路中更具优势，支持时钟门控、降低分布延迟、减少布线资源和功耗。但实现时存在延迟计算数据获取晚、设计修改需重新调整时钟树等问题，不过 EDA 行业的自动时钟树生成工具解决了这些难题。

2.6 混合时钟分布网络

混合方案结合了分布式时钟树的效率和网格方法的鲁棒性。分布式缓冲树的叶单元输出通过全局金属网格连接，网格提供低电阻电流路径，减少局部偏斜，简化电路设计，实现小分布延迟和可接受的功耗，且不占用过多布线资源。

例如，Sun Microsystems 的 Niagara 处理器通过巧妙结合全局 H 树、区域时钟门控网格和局部子树，将时钟偏斜控制在 50 ps 以下。

2.7 时钟偏斜分析

功能仿真不足以发现时钟偏斜问题，静态时序分析更适合同步设计的时序验证，原因如下：
- 避免覆盖问题。
- 量化所有信号传播路径的时序裕度。
- 定位时序松弛。
- 计算量更合理。

在静态时序验证时，需考虑布局寄生参数、使用合适的互连模型，并考虑串扰、工艺温度电压变化（PTV）和片上变化（OCV）等因素。

总之，无论采用何种时钟方案，精心设计和时序验证都至关重要。

以下是几种时钟分布方案的对比表格：
| 方案 | 优点 | 缺点 |
| — | — | — |
| 集体时钟缓冲器 | 结构相对简单 | 功耗大、开关电流集中、布线难度大 |
| 分布式时钟缓冲树 | 支持时钟门控、功耗分布均匀、延迟低 | 延迟计算数据获取晚、设计修改需调整 |
| 混合时钟分布网络 | 结合两者优点，偏斜小、功耗可接受 | 设计复杂度较高 |

下面是一个简单的 mermaid 流程图，展示时钟分布方案的选择过程：

graph LR
    A[开始] --> B{是否关注能源效率}
    B -- 是 --> C[分布式时钟缓冲树]
    B -- 否 --> D{对布线资源要求高吗}
    D -- 是 --> E[混合时钟分布网络]
    D -- 否 --> F[集体时钟缓冲器]
    C --> G[结束]
    E --> G
    F --> G

3. 不同时钟分布方案的应用案例分析

3.1 集体时钟缓冲器案例

以早期的 Alpha 21064 处理器为例，它采用了最纯粹的集体驱动方法。该处理器时钟节点的总电容负载为 3.25 nF，需要 Wn = 100 mm 和 Wp = 250 mm 的最终驱动晶体管。在 200 MHz 的时钟频率下，从 3.3 V 电源获取的功耗达到 30 W，时钟上升和下降时间为 500 ps，峰值开关电流为 43 A。不过，其时钟分布从芯片中心传输到角落的时间不到 300 ps，相比 5 ns 的时钟周期表现良好，为单电线电平敏感两相时钟提供了可能。

3.2 分布式时钟缓冲树案例

Intel 的 Itanium 2 9000 是一个高度复杂的案例。这是一款双核设计，采用 90 nm 体 CMOS 工艺制造，拥有 1.72×10⁹ 个晶体管，7 层铜互连，时钟频率为 1.6 GHz。由于亚 100 nm 技术、巨大的芯片尺寸（27.7 mm×21.5 mm）以及高达 104 W 的最大功耗，存在显著且不可预测的片上变化（OCV）。其采用的区域主动去偏斜方案，通过多个相位比较器和可调延迟线在运行时自适应微调不同时钟树分支的延迟，体现了分布式时钟缓冲树在复杂设计中的应用优势。

3.3 混合时钟分布网络案例

Sun Microsystems 的 Niagara 处理器同样值得关注。该处理器有 279×10⁶ 个晶体管，采用 90 nm 9LM（铜）体 CMOS 技术制造，在 1.2 GHz 和 1.2 V 下最大功耗为 63 W。通过巧妙结合全局 H 树、多个区域时钟门控网格和局部子树，将时钟偏斜控制在 50 ps 以下。此外，它还采用了布局后保持时间修复技术，利用金属可编程延迟缓冲器进行静态延迟调整，不影响先前确定的详细信号路由。

4. 时钟偏斜分析方法总结

4.1 静态时序分析的重要性

如前文所述，功能仿真在发现时钟偏斜问题上存在局限性，而静态时序分析则具有诸多优势。以下是静态时序分析的详细步骤：
1. 数据准备 ：收集电路的网表、标准单元库、时序约束文件等信息，同时考虑布局寄生参数、合适的互连模型以及串扰、PTV 和 OCV 等因素。
2. 路径识别 ：识别电路中的所有信号传播路径，包括最短路径和最长路径。
3. 时序计算 ：根据单元库中的时序信息和互连延迟模型，计算每条路径的延迟。
4. 时序检查 ：检查每条路径的建立时间和保持时间是否满足时序约束。
5. 裕度分析 ：量化每条路径的时序裕度，确定是否存在时序松弛。
6. 问题定位 ：如果存在时序违规，定位问题所在的路径和单元。

4.2 静态时序分析的注意事项

在进行静态时序分析时，需要注意以下几点：
- 模型准确性 ：确保使用的标准单元库和互连模型准确反映实际电路的行为。
- 约束完整性 ：时序约束应完整且合理，包括时钟频率、时钟偏斜、建立时间和保持时间等。
- 环境因素 ：考虑不同的工作条件，如温度、电压等对时序的影响。
- 迭代优化 ：根据分析结果进行迭代优化，如调整时钟分布方案、添加缓冲器等。

5. 时钟设计的未来趋势

5.1 技术发展对时钟设计的影响

随着半导体技术的不断发展，芯片的集成度越来越高，时钟频率也越来越快，这对时钟设计提出了更高的要求。未来，时钟设计需要更好地应对以下挑战：
- 功耗优化 ：降低时钟网络的功耗是一个重要的研究方向，例如采用更高效的时钟门控技术和低功耗的时钟缓冲器。
- 时序精度 ：提高时钟信号的时序精度，减少时钟偏斜和抖动，以确保电路的正确运行。
- 可靠性 ：增强时钟网络的可靠性，应对各种环境变化和干扰。

5.2 新兴时钟技术的展望

一些新兴的时钟技术可能会在未来得到广泛应用，例如：
- 光学时钟 ：利用光信号传输时钟，具有低延迟、低功耗和高带宽的优点。
- 量子时钟 ：基于量子力学原理的时钟，具有极高的精度和稳定性。

以下是不同时钟技术的对比表格：
| 时钟技术 | 优点 | 缺点 | 应用前景 |
| — | — | — | — |
| 传统时钟 | 技术成熟、成本低 | 功耗高、时序精度有限 | 仍将在一些低性能应用中使用 |
| 光学时钟 | 低延迟、低功耗、高带宽 | 技术复杂、成本高 | 有望在高速通信和高性能计算中应用 |
| 量子时钟 | 高精度、高稳定性 | 技术难度大、实现成本极高 | 可能在科学研究和高精度测量中发挥重要作用 |

下面是一个 mermaid 流程图，展示时钟设计的优化流程：

graph LR
    A[初始设计] --> B[静态时序分析]
    B --> C{是否满足时序要求}
    C -- 是 --> D[设计完成]
    C -- 否 --> E[调整时钟分布方案]
    E --> F[添加缓冲器或延迟元件]
    F --> G[重新进行静态时序分析]
    G --> C

综上所述，时钟设计在同步电路中起着至关重要的作用。不同的时钟分布方案各有优缺点，需要根据具体的应用场景和设计要求进行选择。静态时序分析是确保时钟系统正确运行的关键方法，未来时钟设计将面临更多挑战和机遇，新兴时钟技术也有望为时钟设计带来新的突破。