芯片时钟树设计常用的结构及其对比
芯片时钟树设计常用的结构及其对比
在芯片设计中，时钟树是确保所有寄存器在同一时间接收时钟信号的关键结构。不同的时钟树结构有着各自的特点和应用场景。本文将详细介绍几种常见的时钟树结构，包括H型时钟树、鱼骨型时钟树、X型时钟树、平衡型时钟树、时钟网络以及多源时钟树，并对比它们的优缺点。
H型时钟树
H型时钟树的目标是确保所有时钟路径到达寄存器的时间相同，以实现零时钟偏差。其结构如图所示，时钟根通常连接到整个时钟网络的中心点，然后一级一级地分叉出去，形似字母H，因此得名H型时钟树。
然而，H型时钟树对时钟网络的要求较为严苛，需要寄存器摆放得整齐规律。这导致需要插入过多的时钟元件，虽然能大幅度降低时钟偏差，但会增加阻塞问题，绕线难度加大，甚至可能需要增加芯片面积。因此，H型时钟树更适合应用于对时序要求严格但对面积要求不高的芯片设计中。
鱼骨型时钟树
鱼骨型时钟树（fishbone clock tree）是在H型时钟树基础上发展而来的一种结构。如图所示，鱼骨型时钟树由主干和分支构成，状如鱼骨，因此得名。主干采用宽金属线，根据负载不同插入驱动缓冲器，将电流输送到各分支，再由分支驱动相连的叶节点。其时钟偏差主要存在于各分支到叶节点的延时差异，而主干上的路径是公共路径，因此时钟偏差较小。
X型时钟树
X型时钟树与H型时钟树类似，也是一种对称的时钟树结构，但对寄存器摆放要求极高。不同的是，X型时钟树利用90度连线，扇出为4，相比H型时钟树的扇出2，所需缓冲器数量大幅减少。但这也对工具建立时钟树的算法提出了更高要求。
平衡型时钟树
平衡型时钟树采用自上而下的两层驱动方式，适用于分层次和大规模时钟树设计。通过在时钟路径上插入缓冲器或反相器来平衡时钟源到各叶节点的延时。虽然增加了单元数量可能导致面积增大，但能很好地控制时钟插入延迟。
时钟网络（clock mesh）
时钟网络通过对整个芯片进行网格化处理，先将时钟信号分配到各网格格点，再由格点分配到对应的叶节点。这种结构使得时钟源到线网的延时相同，时钟偏差低于鱼骨型时钟树。但时钟网络需要大量网格和驱动，功耗较高，且OCV容错率较低。
多源时钟树（multi-source clock tree）
多源时钟树具有多个时钟源，是一种为降低时钟功耗而发展的技术。主要分为常规多源时钟树和结构化多源时钟树两种。
常规多源时钟树：由全局时钟结构和本地子树组成，本地子树通过tap驱动连接到时钟网格，再连接到门控单元或sink点。优点是功耗较低，OCV容错率优于传统时钟树，但功耗高于结构化多源时钟树。
结构化多源时钟树：全局时钟结构直接驱动本地子树，不使用tap驱动。优点是时钟偏差低，OCV容错率高，但受限于网格层级，时钟逻辑长，功耗较高。
门控时钟技术
门控时钟通过控制信号开启或关闭时钟，以降低触发器的总反转率从而达到节能目的。根据关闭的触发器数量，可分为粗粒度和细粒度门控时钟。粗粒度门控时钟关闭整个芯片的时钟，细粒度门控时钟则控制电路模块中部分触发器的工作。
拓扑结构比较
在平衡时钟树综合过程中，时钟树拓扑结构的变化主要体现在横向生长和纵向延伸两个方面。纵向延伸虽然能减小时钟偏差，但会增加缓冲单元数量和功耗；横向生长则能减少缓冲单元数量，但可能导致时钟偏差增大。设计者需要根据具体时序要求来平衡时钟树的规模。