CTS（上篇）

今天想和大家聊聊时钟树综合：Clock Tree Synthesis (CTS)。

构思了很久应该怎样介绍CTS，最终决定分为几篇文章来一步一步介绍整个流程。尽管如此，由于在大型项目中CTS是一个比较复杂的工作，因此在本专栏的文章之外可能还有很多东西需要后端设计者去关心。但是我仍然希望对于初学者，通过本专栏接下来的几篇文章，能够对CTS的基本流程和做法有个一大致的思路，从而避免拿到一个design后陷入无从下手的被动。

言归正传，在P&R整个流程中，有两个对于design的PPA(Power Performance Area)起决定性的步骤：Floorplan和CTS。尽管如此，在实际项目中，很多人可能工作数年也没有机会做一次比较全面的CTS。一方面原因在于，P&R工具尤其是次世代的ICC2和Innovus对于相对简单的clock tree都能够很好的处理；另一方面的原因是，对于大多数无法接触top的工程师来说，block内部的clock结构大概率是比较简单的。因此就导致一些同学在做过几个项目后面对复杂的clock仍然无从下手。

针对这个现象，本专栏希望根据自己的经验把CTS的基本思路的做法介绍给大家。如果大家以后遇到复杂的clock时发现这里的内容对实际工作多有裨益，本专栏也将不胜荣幸。

Clock Tree Synthesis，顾名思义，就是对design的时钟树进行综合。主要的目的是让每个clock都能够在尽量短的时间内传达到它们驱动的所有DFF(寄存器)。对于CTS，我们有三个指标希望能够尽量做到更好：

每个clock到达其所驱动的sink(DFF)的latency都尽量短；

每个clock之内，以及有时序关系的clock之间的skew尽量小；

每个clock的common path尽量长。

对于大多数P&R工具，CTS的flow可以总结为以下形式：

CTS Flow

需要指出的是，上图中可能有些名词你还不太清楚具体含义，但是这些都会在后面的介绍中一一提及。我在这里也没有将大部分单词翻译成中文，因为希望大家记住这些名词，这将使大家在以后阅读工具的User Guide或者其他英文资料的时候能够少一些障碍。

CTS策略

这是CTS的第一步，虽然在流程中只是简单的几个字，但是针对复杂的clock，这里可能需要花费大量的时间分析clock的结构，找出潜在可能出现的问题和瓶颈，并针对我们上述提出的三个指标，决定如何去综合时钟树。这一步如此重要却又非常容易被忽略，以至于有些同学在遇到复杂的clock出现问题时无从分析，遑论如何改进。下面我将通过一个例子来说明，CTS策略到底是什么。(注：以下示例不对标任何实际设计，如有雷同，纯属巧合~)

假设某芯片的clock结构可以简化成如下形式：

其中function clock从两个PLL和两个IO(FCLK1, FCLK2)进来，test clock从两个IO(TCLK1, TCLK2)进来。从图中可以看出，在分频电路之后，进入A和D的clock不与其他模块共享。

与此同时，我们假设芯片的floorplan可以表示为如下形式(注意clock source和模块位置与clock结构的对应关系)：

如果模块之间的时序关系可以简述为如下形式：

Block B <-> Macro1

Block C <-> Macro2

Macro1 <-> Macro2

Block A/D为独立模块

考虑到上述时钟结构，floorplan和时序关系，我们该如何决定CTS策略呢？

在考虑策略之前，我们先回忆一下CTS的三个目标：latency尽量短；skew尽量小；common path尽量长。

先从最简单的开始：鉴于Block A和D为独立模块，它们不与其他模块产生时序关系，同时从clock结构图可以看到进入A和D的clock在选择器之后没有与其他模块有交集，因此，我们只需要把A和D的clock尽量做短即可。

我们也可以把一切交给EDA工具，但是这样的做的结果不能保证得到我们想要的结果。最好的办法是把进入到A、D两个Block的clock选择器以及其他clock分频逻辑固定在这两个block附近(下图中紫色区域)，这样不仅能够使clock line尽量以最短的距离到达Block，同时也能够尽可能地增加common path的长度。

接下来考虑Block B/C和Macro/Macro2。鉴于他们之间的时序关系，我们希望它们之间的skew尽量短，同时common path要尽量长。在floorplan上我们可以看到它们被摆放成对称 的形式，因此，最简单直接的办法就是将所有与这几个block相关的逻辑都固定在两个Macro上方的正中间(假设其clock port在黄色标识的部分)，如下图红色方框所示：

preplace区域示意

到目前位置我们确定了需要preplace的逻辑以及其放置区域，接下来我们需要考虑如何实现我们的设想。其中首要的任务就是定义CTS的sdc。

对于CTS工具来说，要进行时钟树综合，有一个必备的前提条件就是clock的定义，而后端设计者是可以根据自己的策略自己调整clock的定义的。让我们再回忆以下clock的结构图：

针对上述结构，有两种常用的定义clock的方法（时间单位ps）：

直接从所有的clock源头定义，此方法基本可以从func/test的sdc中直接复制clock的定义：

create_clock -period 833.33 -name PLL1_CLK [get_pins PLL1/CLK] ;# 1.2GHz

create_clock -period 833.33 -name PLL2_CLK [get_pins PLL2/CLK] ;# 1.2GHz

create_clock -period 2000.00 -name FCLK1 [get_ports FCLK1] ;# 500MHz

create_clock -period 2000.00 -name FCLK2 [get_ports FCLK2] ;# 500MHz

create_clock -period 20000.00 -name TCLK1 [get_ports TCLK1] ;# 50MHz

create_clock -period 20000.00 -name TCLK2 [get_ports TCLK2] ;# 50MHz

2. 采用分段CTS的方法。因为大部分clock结构，从选择器开始都比较简单，因此我们可以从选择器的输出端定义一系列的clock并对有时序关系的部分进行balance；之后再从各个clock源头定义并在时钟树综合的时候在选择器的输入停止。此方法的clock定义可以大致分为以下两部分：

第1段：选择器->各个Block

create_clock -period 833.33 -name MUXCLK1 [get_pins MUX1/Y]

create_clock -period 833.33 -name MUXCLK2 [get_pins MUX2/Y]

......

第2段：clock sources ->各个选择器

create_clock -period 833.33 -name PLL1_CLK [get_pins PLL1/CLK] ;# 1.2GHz

create_clock -period 833.33 -name PLL2_CLK [get_pins PLL2/CLK] ;# 1.2GHz

create_clock -period 2000 -name FCLK1 [get_ports FCLK1] ;# 500MHz

create_clock -period 2000 -name FCLK2 [get_ports FCLK2] ;# 500MHz

create_clock -period 20000.00 -name TCLK1 [get_ports TCLK1] ;# 50MHz

create_clock -period 20000.00 -name TCLK2 [get_ports TCLK2] ;# 50MHz

至于如何使工具在选择器停止，我们将在接下来的文章中继续讨论。同时我们将会把上述思路和策略通过真实的脚本和命令反映出来，希望大家继续关注。

另外，在本文中涉及的design通过上述几幅图可以了解到相对详细的时钟结构，但是在实际设计中我们如何事先得知clock的结构和时序关系呢？一般来说对于流程完善的大公司，绘制详尽的时钟结构是前端设计者的工作之一。但是在实际项目中，面对的大部分design的clock结构图可能是十分简单甚至完全没有的情况，这时就需要后端工程师多一些耐心去分析design，并积极与前端和constraint设计者沟通，从而实现对design的时钟结构快速把握。

至此，CTS的策略基本构建完成。在接下来的文章中，我们将继续详细讨论这些策略的实现方法以及如何查看和debug clock的结果。

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