Clock Gating 是什麼？怎麼做？

 

在同步數位邏輯電路中，所有 flip-flop 都是由一個 clock 訊號來觸發。由於 clock 是不斷地進行振盪的訊號，即使 flip-flop 的資料沒有改變，只要 clock 訊號變化，都會造成 flip-flop 上的能源消耗。為了降低晶片的功耗，clock gating 是一樣很重要的技術。

其概念是在 flip-flop 不需要運作的時候，將其 clock 訊號停住。在 standard cell library 中有提供 Clock Gating Cell，如下圖所示。

其中 E 是一個 enable 訊號，當 E = 1 時，代表 flip-flop 需要被觸發。當 E = 0 時，代表 flip-flop 不需要運作。GCLK 是 gated clock，是由一個 AND gate 產生，只有當 Q = 1 時，GCLK 才會等於 CLK，否則 GCLK 都是 0。

從波形中可以看出，當 E 改變時，Q 並不會馬上跟著改變，而要等到 CLK = 0 的時候，Q 才會變成 E。這樣做的用意是為了避免 GCLK 上產生毛刺 (glitch)。由於 clock 的 rising/falling edge 會觸發運算，在 clock 上的 glitch 是不允許的。

各位可以試著畫圖看看，假如直接讓 E 來控制 AND gate，當 E 從 1 變成 0 時，會使 GCLK 產生一個 glitch。(請記得 E 訊號是由 clock rising edge 觸發的，因此它總是會稍晚於 clock rising edge。)

大家應該也有注意到，除了 E 以外，還有一個 TE 訊號，這是 test enable 訊號。當我們要進行測試時，必須透過 scan chain 來進行，此時必須讓 clock 能夠送到所有的 flip-flop 上，因此當 TE = 1 時，GCLK 會一直等於 CLK。

要如何加入 clock gating 呢？目前的 Design Compiler 都有支援，可以自動根據 RTL code 來判斷哪些 flip-flop 要執行 clock gating 來降低 power consumption。由於 Clock Gating Cell 本身會占用面積，也是會耗電，假如每個 flip-flop 都進行 clock gating，並非最好的做法。這部份 Design Compiler 也會協助判斷。

只要在進行合成的時候，在 compile 指令後面加上一個 -gate_clock 的選項即可，如下：

compile_ultra -gate_clock

如何對 black box macro 進行時序約束

 進行 place and route 時，可能有些 macro 是 full-custom design，沒有針對此 macro 建立 timing library，對 IC compiler 來說，就是一個黑盒子，對於這種 black box macro，可透過以下指令進行時序約束。

Black Box Macro 的 Clock

set_clock_tree_exceptions -stop_pins [get_pins macro/CLK]

Black Box Macro 的輸入訊號

set_output_delay -max $MACRO_IN_DELAY -clock clk -reference_pin [get_pins macro/CLK] [get_pins macro/IN]

set_output_delay -min $MACRO_HOLD -clock clk -reference_pin [get_pins macro/CLK] [get_pins macro/IN]

$MACRO_IN_DELAY 是 macro 輸入訊號抵達內部 flip-flop 的延遲時間。$MACRO_HOLD 是內部 flip-flop 所需的 hold time 的負值 ($MACRO_HOLD 是負數)。

Black Box Macro 的輸出訊號

set_input_delay -max $MACRO_CLK_Q -clock clk -reference_pin [get_pins macro/CLK] [get_pins macro/OUT]

set_input_delay -min 0.0 -clock clk -reference_pin [get_pins macro/CLK] [get_pins macro/OUT]

$MACRO_CLK_Q 是 macro 內部flip-flop 的 clock to output 時間。

-max 和 -min 的設定都是必要的，假如只設定了 max delay，min delay 的延遲時間就會與 max delay 一樣。

參考資料

Static Timing Analysis for Nanometer Designs: A Practical Approach (2009)

by Rakesh Chadha & J. Bhasker

如何載入 max/min delay library 進行 setup/hold time 分析

Design Compiler 或 IC Compiler 預設都是會使用在 target library 和 link_library 中第一個讀取到的 .db 檔。但是做 timing analysis 時，我們要用 worst case library 來分析 setup time，用 best case library 來分析 hold time。以下說明如何載入 max/min delay library，這部分是在 .synopsys_dc.setup 檔中進行。

在 target_library 中，要引入 max delay 的 standard cell library：

set target_library "std_cell_max.db"

在 link library 中，要引入 max/min delay 的 memory library、io library：

set link_library "* $target_library dw_foundation.sldb \

    std_cell_min.db \

    io_max.db \

    io_min.db \

    memory_max.db \

    memory_min.db \

    "

接下來我們要設定在 max/min timing analysis 時所使用的 library：

set_min_library std_cell_max.db \

-min_version std_cell_min.db

set_min_library io_max.db \

-min_version io_min.db

set_min_library memory_max.db \

-min_version memory_min.db

如此一來，Design Compiler 和 IC Compiler 就會根據以上設定的 max/min delay library 來進行 setup/hold time analysis。若沒有用 set_operating_conditions 來選擇 operating condition 的話，會直接使用 max/min delay library 中的 default operating condition。

修復 short routing nets

 

當做完 routing 後，可用 verify_lvs 指令檢查是否有 open / short 錯誤。當發生 short 錯誤時，可將發生 short 的 routing net 刪除，並且用 route_zrt_eco 指令重新進行繞線。若有多條 nets 發生 short 可一次處理，可用以下指令。

set short_nets [list net0 net1 net2 net3]

remove_net_routing $short_nets

route_zrt_eco -nets $short_nets -reroute modified_nets_only

如果發生 short 的 net 是 power net，不可將其刪除，只要刪除 signal net 就好。修復 open / short 時有可能會產生其它的 timing violations，必須再次進行檢查，直到 short 和 timing violation 全部都修復為止。

修復 max capacitance / max transition time violations

 

繞線時走線太遠，或是 cell output 驅動的負載太大，都會產生 max capacitance 與 max transition time violations，修復方法是在這些 routing nets 上插入 buffer。

insert_buffer [get_nets net0] BUFFD0BWP40

一開始先使用較小 size 的 buffer，若還是有 violations，則在新產生的 net 上面再插入較大 size 的 buffer。

insert_buffer [get_nets eco_net] BUFFD2BWP40

插入 buffer 後可用 report_constraint -all 指令再次確認是否有解決 violations。若仍未解決，可加入更大 size 的 buffer。若解決了，就用以下指令將插入的 buffer 進行適當的 placement，並進行繞線。

legalize_placement -cells [get_cells {eco_cell_0 eco_cell_1}]

route_zrt_eco -reroute modified_nets_only

完成後要記得將這些新加入的 buffer 連接上 VDD/VSS。

derive_pg_connection -power_net $DGZ_POWER -ground_net $DGZ_GROUND -power_pin $DGZ_POWER -ground_pin $DGZ_GROUND

將 APR 後的 gds 檔和 memory 及 analog macro 的 gds 合併

做完 APR 以後，產出的 gds 檔中沒有 memory 和 analog macro 的 layout，需要將這些 macro 的 layout 進行合併，可使用以下指令。

calibredrv -a layout filemerge -smartdiff -rename -preserve merge_filterfile\

    -in top_apr.gds \

    -in memory.gds \

    -in analog_macro.gds \

    -out top_apr_merge.gds \

    -topcell top_apr

-smartdiff

由於在不同的 gds 中可能存在相同名稱的 cell，當合併時會造成某些 cell 被覆蓋掉，加上這個選項，就可以自動辨別 cell 的內容，當 cell 內容不同時會自動重新命名。

-in

定義要被合併的 gds 路徑與檔名。

-out

定義輸出的 gds 的路徑與檔名。

-topcell

指定 top cell 的名稱。

-preserve

在 -preserve 後面的 merge_filterfile 是一個檔案，其內容如下：

analog_macro.gds    analog_macro_module_name  -nohier

memory.gds             memory_module_name            -nohier

由於在原本 APR 後產生的 memory 和 analog macro 要用真實的 layout 換掉，因此在 merge_filter_file 中定義 analog_macro.gds 和 memory.gds 是合併後保留的。

-nohier 表示只有 analog_macro 的最上層 hierarchy 會被強制保留，其它內容還是會透過 smartdiff 進行比對，決定是否需要重新命名。如果沒有加上 -nohier，會造成 memory.gds 或 analog_macro.gds 中的 cell 可能把 top_apr.gds 裡面同名的 cell 覆蓋掉。

將 gate level netlist 轉成 LVS 用的 spice netlist

 

v2lvs -64 -i \

    -v top_apr.v \

    -v memory.v \

    -lsr standard_cell_library.spi \

    -lsr io_cell_library.spi \

    -lsr memory.spi \

    -lsr analog_macro.sp \

    -s standard_cell_library.spi \

    -s io_cell_library.spi \

    -s memory.spi \

    -s analog_macro.sp \

    -o top_apr.sp

-v            將 top module、memory 的 verilog code 加入

-lsr          將 standard cell library、io cell library、memory 和 analog macro 的 spice netlist 加入

-s            在產生的 spice netlist 的一開頭加入 .include 的指令，把需要的檔案引入

-o            定義輸出檔案名稱