Synopsys 逻辑综合之 ICG

 

目录

一、ICG 是什么？

二、ICG 的工作原理

ICG 的做法是：

三、ICG 的电路结构（为什么不用 AND）

四、ICG 和 RTL 写法的关系

五、ICG 在 Design Compiler 中如何使用

1. 启用 ICG 插入逻辑

2. 设置插入条件

3. 编译时允许插入 gating

六、PrimeTime 中的 ICG 时序分析

1. gating enable → clock gating cell enable pin

2. gated_clk → 寄存器 clk pin

3. glitch check（可选）

七、真实项目使用举例

八、常见问题与误区

总结一句话

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一、ICG 是什么？

ICG，全称 Integrated Clock Gating Cell，中文叫“集成时钟门控单元”。

它的作用就是：

用一个专门的逻辑单元，在 时钟信号（clk）传播到寄存器之前进行“选择”或“屏蔽”，从而在不需要时钟切换的周期里，阻止不必要的时钟信号传播，降低功耗。

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二、ICG 的工作原理

最基本的时钟 gating 思想就是下面这个逻辑：

gclk = clk & en;

就是说：

• 当 enable（en）为 1，时钟 clk 正常传入 → gated_clk = clk

• 当 en 为 0，时钟 clk 被屏蔽 → gated_clk = 0，不再切换

ICG 是专门用来节省时钟功耗的逻辑。

比如下面的例子：

reg q;
always @(posedge clk)
  if (en)
    q <= d;

意思是：只有在 en 为 1 的时候，才存数据

但这里写的是 if (en)，时钟其实还是每次都在来，功耗没减少。

ICG 的做法是：

让时钟在 en == 0 时完全不进来，用一个门控逻辑把时钟挡住：

clk ──┬──▶ AND ──▶ gated_clk ──▶ FF
      │
      en

等价于：“en 不开门，时钟进不来，FF 就不切换，也就不耗电。”

这样，寄存器不会在不需要的时候被触发，可以极大地节省动态功耗（尤其是在时钟功耗占比很高的芯片中，节能效果显著）。

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三、ICG 的电路结构（为什么不用 AND）

虽然 gclk = clk & en 是直觉的写法，但电路上绝不能直接使用 AND 门做 gating！

原因：

• 当 en 是组合信号或变化过快，会导致时钟线上产生 glitch（毛刺）

• 时钟毛刺会误触发 flip-flop，导致功能错误，非常危险

正确做法：使用 专门的 ICG 单元（一般是 standard cell 库中提供）

通用结构：

module ICG (
  input  wire clk,
  input  wire en,     // clock enable
  output wire gclk    // gated clock
);

电路内部（大多数 ICG 用 latch + AND）：

• en 先经过 latch 保持稳定（避免 glitch）

• latch 的输出再控制 AND 门

这个结构可以保证en 的变化不会立即影响 clk，从而避免毛刺。

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四、ICG 和 RTL 写法的关系

在你的 RTL 中，只要你写出如下结构：

always @(posedge clk)
  if (en)
    q <= d;

Design Compiler 会尝试识别 en 是 clock gating candidate，然后把时钟 gating 出去，变成：

wire gated_clk = ICG(clk, en);
always @(posedge gated_clk)
  q <= d;

但请注意：不是所有 if (en) 都能做 clock gating。必须满足以下条件：

ICG 插入的条件

1. en 是稳态（寄存器输出）或信号稳定

2. en 与多个寄存器共用（有 fanout）

3. 时序允许 insert gating delay

4. 工具启用了 gating（DC 默认可控制）

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五、ICG 在 Design Compiler 中如何使用

在 Synopsys Design Compiler 中，你可以通过如下指令控制 ICG 插入：

1. 启用 ICG 插入逻辑

set_clock_gating_style -positive_edge -sequential latch -control_point before

说明：

• -sequential latch ：使用 latch 结构来控制 gating enable

• -control_point before ：在寄存器前控制时钟

2. 设置插入条件

set_clock_gating_check -clock_gating_hold_check enable

确保插入 ICG 的地方能满足 hold check（DC 会自动计算）

3. 编译时允许插入 gating

compile_ultra -gate_clock

或在 compile 中加上：

set_app_var power_cg_auto_insert true

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六、PrimeTime 中的 ICG 时序分析

当你插入了 ICG，PrimeTime 会自动识别 gating cell，并做以下几个路径分析：

1. gating enable → clock gating cell enable pin

要确保 en 足够早地达到 gating cell，防止 gating cell 还没打开时钟就来了。

2. gated_clk → 寄存器 clk pin

要分析 gated 时钟经过 gating cell 后的 delay + skew

3. glitch check（可选）

用 check_clock_gating 检查 gating cell 的 glitch 可能性

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七、真实项目使用举例

你写的 RTL：

module example (
  input clk,
  input en,
  input [7:0] d,
  output reg [7:0] q
);

always @(posedge clk)
  if (en)
    q <= d;

endmodule

设计目标：功耗低

综合脚本设置：

set_clock_gating_style -positive_edge -sequential latch
set_clock_gating_check -clock_gating_hold_check enable
compile_ultra -gate_clock

综合后结果：

• DC 识别了 en 是 gating 控制信号

• 插入了一个 gating cell（如 ICG_X1）

• 原始的 8 个 FF 用 gated clk 驱动

• 如果你启用了 multi-bit FF，还会把 q[7:0] 合并成一个 8-bit FF

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八、常见问题与误区

问题/误区	说明与解决
en 是组合逻辑	可能导致 glitch，不能用于 gating
用 AND/OR 代替 gating	不能保证无 glitch，设计不安全
gating 造成 hold 问题	使用 set_clock_gating_check 验证
ICG fanout 太大	要手动 balance，防止 skew 大
多级 ICG（ICG → ICG）	一般不建议，多级容易造成调试困难

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总结一句话

ICG 是在时钟进入寄存器之前“加开关”，只有当使能信号有效的时候才让时钟进去，从而避免时钟功耗白白浪费，是 RTL → GATE 低功耗设计的必备武器。