CTS的前世今生

Clock Tree Synthesis，时钟树综合，简称CTS。时钟树综合就是建立一个时钟网络，使时钟信号能够传递到各个时序器件。CTS是布局之后相当重要的一个步骤，在现如今集成了上亿个晶体管的芯片上，如何设计一个合理的时钟网络，是一件非常具有挑战性的事情。个人认为相比于place和route更依赖工具的能力，CTS是需要更多的人为干预。通常需要人工做的事情，那都是比较难弄的。在深入学习如何做好时钟树之前，以下这些概念和问题我们首先得先弄明白：
What’s the purpose of CTS?
现代人做事情讲究先明确目标，才能未雨绸缪。那CTS的目标是什么？这是一个开放性的问题，每个人的答案都不尽相同。往大的讲就是建立一个合理的时钟网络，往小的方向讲，个人认为可以分为以下两点：
1）保持时钟信号完整性
2）平衡时钟树
首先看第一点，“保持时钟信号完整性”，这是最基本，也最重要的一点。那时钟信号的完整性包括哪些东西呢？时钟的传播延迟（Latency），时钟偏差（Skew），时钟转换时间（transition），时钟不确定性（ uncertainy），时钟的级数…..这些参数构成了一个完整的时钟树，也是衡量时钟树性能的重要指标。并不是单一地认为这些参数越小越好，有利必有弊，整个PR流程中没有绝对的概念，而如何综合考虑这些参数，得出一个最优的组合，这才是CTS的精髓所在。那下面我来分别介绍一下这些概念。
时钟的传播延迟（Latency）
时钟传播延迟Latency，通常也被称为插入延迟（insertion delay）。主要指从Clock源到时序组件Clock输入端的延迟时间。它可以分为两个部分，时钟源插入延迟（source latency）和时钟网络延迟（network latency）

source latency：主要指从clock source端到clock定义端的延迟，即是时钟源(例如PLL)到当前芯片时钟根节点(clock root pin)之间的延迟。
network latency：主要指从clock定义端到时序器件的clock pin端的延迟。

以下两张图分别定义了片上（on chip）和片外（off chip）中clock latency的描述
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我们可以用如下命令来定义描述clock latency:
#specify source latency
set_clock_latency 1.9 -source [get_clocks SYS_CLK]
#specify clock latency
set_clock_latency 0.8 [get_clocks CLK_CONFIG]

那latency值有什么用呢？其实这相当于一个target值，CTS的engine会根据你设置的latency值来插入buffer（当然只是对network latency操作），做出一个接近于你设定的值，可能多一点，也可能少一点。latency值的大小直接影响着clock skew的计算和固定。因为我们的时钟树是以平衡为目的，假设你对一个root和sink设置了1ns的latency值，那么对另外的几个sink来说，就算你没有给定latency值，CTS为了得到较小的skew，也会将另外的几个sink做成1ns的latency。过大的latency值会受到OCV和PVT等因素的影响较大（因为有time derate的存在）。
时钟的偏差（skew）
时钟偏差（skew），这是CTS中相当重要的一个概念。在CTS中，由于时钟到每个寄存器的路径延迟不一样，造成信号到达 clock pin 的时间也不一样，寄存器也不会同时翻转。 Skew 的定义就是最长路径延迟减去最短路径延迟的值。一直以来，Skew都是衡量时钟树性能的重要参数，CTS的目的就是为了减小skew。

Skew的类型分为很多种，
根据clock和data path的方向，skew可以分为positive skew和negative skew。如下图所示：
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对于positive skew，clock和data path在相同方向上。反之对negative skew来说，clock和data path在相反方向上。那它们对我们的design有什么影响呢？我们来看一下setup和hold的计算公式（这个公式大家应该很熟悉吧）：

我们可以得到以下结果，
对于positive skew来说，它可以减少T的时间，相当于提升芯片的performace。但是它的hold时间会变得更加难以满足
对于negative skew来说，它的hold时间更加容易满足，取而代之的是，它会降低芯片的性能。

还有另外一种skew的分类方法，是我们更为常见的，根据时钟域以及路径关系， skew 可以分为 global skew ， local skew ， interclock skew。

Global skew 是指，同一时钟域，任意两个路径的最大 skew ，如下图所示。CTS时，工具更关注的是global skew, 会尽可能地将global skew做小

Local skew 是指，同一时钟域，任意两个有逻辑关联关系的路径最大 skew ，如下图所示，我们在分析timing的时候，更多地是关注local skew

interClock skew 是指，不同时钟域之间路径的最大 skew，如下图所示：

另外还有一种比较特使的skew就是现如今用得较多的useful skew，它也是二代CTS工具这么红火的一个特色。大概说一下useful skew的概念。
如下图：时钟周期为 10ns ，各时钟路径延迟如下：可以看到有一条路径的 slack 为 -1ns ，说明这条路径违规。可以看到与这条路径相关的 skew 是 T3-T2= -1ns 。

下面我们利用 useful skew 向前面一个 slack 比较充裕的路径（slack=2ns）借点 time ，来修正现在这条路径。如下图：

这就是 useful skew 的作用，可以向前，或者向后借time来修正 violation。
限于篇幅所限，关于skew，我先简单介绍这些概念，许多深入的skew探讨后面我会专门写一篇文章来介绍它。
时钟转换时间(transition time)
时钟转换时间clock transition time ,也称为clock slew。通常是指电压从10%VDD上升到90%VDD所需要的时间，或者是从90%VDD下降到10%VDD所需要的时间，上升和下降时间过长意味着电路的速度很慢。如下图所示

在sdc中，用以下命令来限制slew大小
set_max_transition 0.1 -clock_path[all_clocks]
对CTS来说，这也是一个target值，当你设定了一个slew target后，CTS engine会通过插入buffer或者upsize等操作，尽可能地去满足整个target值。当然，slew也不是越小越好，过小的slew会导致CTS阶段在clock path上插入过多的buffer，从而影响到skew的balance以及功耗和面积。
时钟不确定性(clock uncertainty)
定义了Clock信号到时序器件的Clock端可能早到或晚到的时间。主要是用来降低时钟抖动jitter对有效时钟周期的影响。值得注意的是，在setup check中，clock uncertainty是代表着降低了时钟的有效周期；而在hold check中，clock uncertainty是代表着hold check所需要满足的额外margin。
来看下面一条reg2reg path. 对照着如下时钟波形图。可以写出下面的约束。


set_clock_uncertainty-from VIRTUAL_SYS_CLK -to SYS_CLK -hold 0.05
set_clock_uncertainty -from VIRTUAL_SYS_CLK -to SYS_CLK -setup 0.3
set_clock_uncertainty -from SYS_CLK -to CFG_CLK -hold 0.05
set_clock_uncertainty -from SYS_CLK -to CFG_CLK -setup 0.1
在pre-CTS的时候，我们将时钟的不确定性设定为target的skew和jitter值之和来模拟真实的时钟；而post-CTS之后，时钟树propagate delay已经确定，skew真实存在，所以uncertainty就是时钟的真实抖动值。因此preCTS的target skew不能设置的太大或者太小，这样会造成preCTS和postCTS的correlation不好。总结一下：
在pre-CTS中，
setup的clock uncertainty = jitter + clock tree skew
hold的clock uncertainty = clock tree skew
在post-CTS中，
setup的clock uncertainty = jitter
hold的clock uncertainty = 0
时钟树级数
时钟树其实是由buffer一级一级串行级联下去组成，每一个分结点就化分成一级，如下图所示

通常来说，我们期望时钟树的级数越少越好，因为这样tree上的common path最长，受到OCV和PVT因素的影响也最小，时钟的性能也最好。但是，这样情况下tree很难去生长完成，并且会导致过多的fanout，导致负载过大，延迟变差。因此这也是一个trade off 的过程。

至于第二点，“Balance clock sinks”，CTS的目的始终是Balance clock sinks。至于特殊的useful skew是会考虑到timing的情况下，做不到balance，这个放在以后单独开辟一章介绍。较小的skew值会得到较为平衡的时钟树，性能也越好，有利于时序收敛。

这里面有几个关于clock tree经常用的名词大家需要了解下
root pin指的是时钟的产生点，通常在create_clock定义
sink pin指的是时钟所到达的最后寄存器的ckpin
leaf net指的是时钟到达寄存器和它前一级buffer之间的net
trunk net指的是除去leafnet后剩余所有的net我们都称之为trunk，如下图所示

当然还有一种叫top net，是人为自定义的。我们可以把fanout超过指定数目的net，定义为top net. 但是CTS中的fanout和传统的fanout定义不一样，相比传统的只trace后面一级相比，它会一直trace最后一级。top net的存在可以让我们多一种方式去查看tree.
How to judge a clock tree?
最后一个问题，我们如何去评判一个clock tree. 这个问题留给大家，相信理解完前面的概念，大家应该有所思路了吧~~小编认为，不管tree怎么样，最终我们更关注于timing.

标签：latency,今生,clock,skew,CTS,前世,uncertainty,时钟
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