【芯片时序收敛的关键技术：深入解析CRPR】

原创于 2025-12-18 09:14:09 发布 · 503 阅读

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在芯片设计过程中，时序收敛是保证芯片功能正确性和性能达标的关键环节。然而，由于工艺变异、电压降和温度变化等因素的影响，静态时序分析（STA）往往会引入过度的悲观估计，导致设计过度保守或难以收敛。CRPR（Clock Reconvergence Pessimism Removal）和CPPR（Common Path Pessimism Removal）正是解决这一问题的关键技术。
　　
一、什么是CRPR/CPPR？
　　CRPR和CPPR实际上是同一概念的两种不同称呼。S家（Synopsys）称之为CRPR（Clock Reconvergence Pessimism Removal），而C家（Cadence）称之为CPPR（Common Path Pessimism Removal）。其中文翻译可以统称为"时钟路径悲观消除"。
　　这两种技术的目的都是消除公共时钟路径上的悲观度，避免时序分析过于保守，从而帮助设计人员更准确地评估芯片性能。
　　工作原理详解
　　公共路径与悲观度的来源
　　在典型的时序路径中，启动时钟路径（launch clock path）和捕获时钟路径（capture clock path）通常共享一段公共路径（common clock path），在某个点（common point）分道扬镳。
　　在这里插入图片描述

在进行STA分析时，为了模拟芯片上的变异（On-Chip Variation，OCV），工具会对启动时钟路径和数据路径设置较大的延迟因子（late derate，通常大于1），而对捕获时钟路径设置较小的延迟因子（early derate，通常小于1）。这就导致同一段公共路径在被用作启动时钟路径和捕获时钟路径时，计算出的延迟值不同，引入了不必要的悲观度。
　　
二、CRPR/CPPR的计算机制
　　以setup检查为例，假设公共路径延迟为1.2ns，late derate为1.2，early derate为0.9：
　　公共路径作为启动路径的延迟：1.2 × 1.2 = 1.44ns
　　公共路径作为捕获路径的延迟：1.2 × 0.9 = 1.08ns
　　CRPR调整值 = 1.44 - 1.08 = 0.36ns
　　这个调整值将从总的时序裕量中扣除，使得时序分析结果更加接近实际情况。
　　
三、CRPR/CPPR在不同场景中的应用
　　１.　时钟重汇聚（Clock Reconvergence）
　　当时钟路径经过分叉后又重新汇聚时，就会产生时钟重汇聚现象。
　　在这里插入图片描述

在多路选择器（MUX）选择不同时钟路径的情况下，工具会假设最坏情况进行分析，但这种假设在实际电路中可能并不成立。CRPR/CPPR技术可以消除这种不合理悲观度。
　　２.　最小脉宽检查（Minimum Pulse Width）
　　在最小脉宽检查中，上升沿和下降沿的延迟差异会导致悲观分析。CRPR/CPPR可以通过计算上升延迟范围和下降延迟范围的较小值，为最小脉宽检查添加一定的松弛量。
　　３.　串扰（Crosstalk）分析
　　串扰对时序的影响复杂多变，需要根据具体情况判断是否应用CRPR/CPPR：
　　在这里插入图片描述

对于setup检查（通常是非同沿检查）：公共路径上由串扰引起的延迟差异不能用CRPR消除
　　对于hold检查（通常是同沿检查）：公共路径上由串扰引起的延迟差异可以用CRPR消除
　　４.　时钟网格（Clock Mesh）设计
　　在多源时钟树结构中，时钟网格及其前级驱动器都是共享的。CRPR/CPPR计算会考虑等效后的网格驱动器作为公共点，同时计算网格的公共最小延迟。
　　
四、CRPR/CPPR对时序收敛的重要性
　　CRPR/CPPR对时序收敛的重要性体现在以下几个方面：
　　１.　减少过度设计（Overdesign）
　　通过消除不必要的悲观度，CRPR/CPPR可以避免设计人员为了满足过于严格的时序约束而过度优化设计，从而节省面积和功耗。
　　２.　提高时序收敛效率
　　过于悲观的时序分析会导致大量的时序违例，增加修复工作量和迭代次数。CRPR/CPPR技术使时序分析更加准确，提高了时序收敛的效率。
　　３.　平衡分析与现实
　　CRPR/CPPR技术在保持一定分析覆盖率的同時，使时序分析结果更加贴近芯片实际行为，在减少悲观度和保持分析严谨性之间取得了良好平衡。
　　
五、实际应用注意事项
　　在实际应用中，设计人员需要注意以下几点：
　　时钟沿关系：工具会根据启动时钟和捕获时钟的边沿关系计算CRPR/CPPR值，必要时可通过相关变量进行控制。
　　工具变量设置：不同工具有不同的CRPR/CPPR相关变量，如timing_cppr_threshold_ps（悲观度阈值）和timing_cppr_transition_sense（时钟沿感知模式）等，需要根据设计需求合理设置。
　　分析模式选择：对于特殊情况（如同沿setup检查或非同沿hold检查），需要仔细评估是否应用CRPR/CPPR。
　　
总结
　　CRPR/CPPR是先进芯片设计中不可或缺的时序分析技术，它通过消除公共时钟路径上的不合理悲观度，使时序分析更加准确高效。随着工艺节点的不断进步和芯片复杂度的提高，CRPR/CPPR技术的正确理解和应用将变得越来越重要。
　　设计人员需要深入理解CRPR/CPPR的工作原理和应用场景，结合具体设计需求合理配置相关参数，才能在保证芯片可靠性的同時，实现最优的性能、面积和功耗平衡。