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本系列整理數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)體系架構(gòu)，為了方便后續(xù)自己查閱與求職準(zhǔn)備。在FPGA和ASIC設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘信號(hào)的好壞很大程度上影響了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文主要介紹了數(shù)字設(shè)計(jì)中的非理想時(shí)鐘的偏差來源與影響。

理想時(shí)鐘

在數(shù)字設(shè)計(jì)中的理想時(shí)鐘如下圖所示：

理想時(shí)鐘

理想時(shí)鐘的特點(diǎn)如下：

• 時(shí)鐘無重疊： 任意時(shí)刻下， Φ 與Φ非的與恒為零；
• 全軌輸出： VDD - V(Φ) = V (Φ非)；
• 時(shí)鐘無延遲、無偏斜、無抖動(dòng) 。

非理想性時(shí)鐘

在數(shù)字設(shè)計(jì)中的非理想時(shí)鐘如下圖所示，和理想時(shí)鐘相對(duì)立，如果不滿足上述的理想時(shí)鐘的相關(guān)特點(diǎn)，可認(rèn)為其實(shí)一個(gè)非理想時(shí)鐘。

非理想性時(shí)鐘

對(duì)上圖進(jìn)行分析，假設(shè)CLK1、CLK2是同一個(gè)時(shí)鐘樹下的不同時(shí)鐘，此時(shí)，兩個(gè)時(shí)鐘邊沿的時(shí)間差就為時(shí)鐘偏斜，同時(shí)，對(duì)于某一個(gè)時(shí)鐘，在時(shí)鐘變化邊沿時(shí)，會(huì)有一定的隨機(jī)性，所以這里隨機(jī)的時(shí)鐘周期變化叫做時(shí)鐘抖動(dòng)。

假設(shè)CLK1是CLK2的前級(jí)時(shí)鐘，所以上圖中兩個(gè)時(shí)鐘的邊沿的時(shí)間差即為時(shí)鐘延遲。

在上圖中其實(shí)不能很準(zhǔn)確體現(xiàn)出時(shí)鐘延遲和時(shí)鐘偏斜的概念區(qū)別，貼出另外一個(gè)圖以供參考：

在下圖中很容易理解時(shí)鐘延遲和時(shí)鐘偏斜的概念：

• 時(shí)鐘延遲（clock latency）是指從時(shí)鐘源到終點(diǎn)所花費(fèi)的總時(shí)間。
• 時(shí)鐘偏斜（clock skew）是指到達(dá)不同時(shí)鐘樹終點(diǎn)的時(shí)間差。

時(shí)鐘偏斜主要來自時(shí)鐘在空間上的不期望變化，時(shí)鐘延遲和時(shí)鐘抖動(dòng)主要來自時(shí)鐘在時(shí)間上的不期望變化。

時(shí)鐘延遲（clock latency）

時(shí)鐘延遲 （clock latency）是指從時(shí)鐘源到終點(diǎn)所花費(fèi)的總時(shí)間，主要針對(duì)的是一個(gè)時(shí)鐘，從時(shí)鐘源端輸出到所驅(qū)動(dòng)的器件的時(shí)鐘輸入端的時(shí)間延遲。

時(shí)鐘偏斜（clock skew）

時(shí)鐘偏斜（clock latency）是一對(duì)物理時(shí)鐘的標(biāo)稱時(shí)間差與實(shí)際時(shí)間差之間的區(qū)別。理想情況下，時(shí)鐘應(yīng)同時(shí)到達(dá)系統(tǒng)中所有的鐘控元件（鎖存器、觸發(fā)器、存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)門等），這樣系統(tǒng)才有一個(gè)共同的參考時(shí)間。實(shí)際中，時(shí)鐘到達(dá)各點(diǎn)的時(shí)間稍微有些差別，這個(gè)差別就叫 時(shí)鐘偏斜 。

兩個(gè)不同時(shí)鐘的時(shí)鐘延遲，就是時(shí)鐘偏斜。

時(shí)鐘偏斜發(fā)生在兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)之間，一般不會(huì)引起電路實(shí)際時(shí)鐘周期的變化，只會(huì) 導(dǎo)致時(shí)鐘相位的偏移 ；時(shí)鐘抖動(dòng)可以發(fā)生在一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)自身，會(huì) 引起時(shí)鐘周期的變化 。

時(shí)鐘偏斜與時(shí)鐘抖動(dòng)統(tǒng)稱為 時(shí)鐘偏差 ，二者之和也叫 時(shí)鐘不確定性（uncertainty） 。邊沿之間的時(shí)鐘抖動(dòng)有時(shí)也被歸于與時(shí)間相關(guān)的時(shí)鐘偏斜。

時(shí)鐘抖動(dòng)（clock jitter）

時(shí)鐘抖動(dòng)（clock jitter） 是指芯片的某一個(gè)給定點(diǎn)上時(shí)鐘邊沿發(fā)生暫時(shí)的隨機(jī)變化，會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘周期的縮短或加長(zhǎng)。

時(shí)鐘抖動(dòng)

邊界間抖動(dòng)（edge-to-edge） ：時(shí)鐘邊沿相對(duì)與理想時(shí)鐘邊沿的最大變化值，實(shí)際上是隨時(shí)間變化的時(shí)鐘偏斜。

邊界間抖動(dòng)

長(zhǎng)周期抖動(dòng)（k-cycle） ：數(shù)個(gè)周期后邊沿之間的最大變化值，主要影響芯片間的時(shí)序同步，也叫絕對(duì)抖動(dòng)。

長(zhǎng)周期抖動(dòng)

周期間抖動(dòng)（cycle-to-cycle） ：相鄰時(shí)鐘周期間的時(shí)變偏離，主要影響芯片內(nèi)時(shí)序同步，也叫相對(duì)抖動(dòng)。

周期間抖動(dòng)

隨機(jī)抖動(dòng)（random jitter） ：由器件和導(dǎo)線的固有噪聲（如熱噪聲） 所致，為高斯分布，用均方根值（RMS）表征，無法預(yù)估。

隨機(jī)絕對(duì)抖動(dòng)的高斯分布

確定性抖動(dòng) （deterministic jitter） ：確定性抖動(dòng)由非理想傳輸效應(yīng)、串?dāng)_、電源浪涌等所致，為非高斯分布，用峰峰值表征，可以預(yù)估。

在邏輯綜合前，常采用理想時(shí)鐘（邏輯時(shí)鐘）+預(yù)設(shè)偏差的方式來模擬真實(shí)時(shí)鐘；在物理設(shè)計(jì)時(shí)，完成實(shí)際時(shí)鐘（物理時(shí)鐘）的設(shè)計(jì)，其偏差必須滿足系統(tǒng)要求。

• 邏輯時(shí)鐘（logical clock） ：沒有時(shí)鐘偏斜的理想時(shí)鐘，邏輯設(shè)計(jì)者在用硬件描述語言描述系統(tǒng)行為時(shí)使用。
• 物理時(shí)鐘（physical clock） ：帶有時(shí)鐘偏斜的實(shí)際時(shí)鐘，為了使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期行為，設(shè)計(jì)者不得不在時(shí)鐘偏差、功耗、金屬化資源利用率和設(shè)計(jì)代價(jià)之間尋求均衡。
• 全局時(shí)鐘（global clock） ：為整個(gè)系統(tǒng)提供基準(zhǔn)的單一時(shí)鐘。

布線對(duì)時(shí)序的影響

同一個(gè)時(shí)鐘下，驅(qū)動(dòng)不同的觸發(fā)器，都需要在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)候都需要進(jìn)行布線，所以不同的觸發(fā)器之間布線長(zhǎng)短也會(huì)有一定差異。

布線方向的影響：正偏差

時(shí)鐘布線方向與數(shù)據(jù)通過流水線方向一致會(huì)使得時(shí)鐘正偏差，也即，tskew > 0 。

好處：可采用更短的時(shí)鐘周期從而得到更高的時(shí)鐘頻率，有利于提高數(shù)據(jù)通過率。

壞處：需采用更長(zhǎng)的保持時(shí)間，以免出現(xiàn)冒險(xiǎn)競(jìng)爭(zhēng)。

布線方向的影響：負(fù)偏差

時(shí)鐘布線方向與數(shù)據(jù)通過流水線方向相反會(huì)使得時(shí)鐘負(fù)偏差，也即，tskew < 0 。

好處：冒險(xiǎn)競(jìng)爭(zhēng)不易發(fā)生，提高了電路的健壯性。

壞處：加長(zhǎng)了最小時(shí)鐘周期從而降低了時(shí)鐘頻率，不利于提高數(shù)據(jù)通過率。

布線方向的影響：雙向電路

時(shí)鐘布線方向與數(shù)據(jù)通過流水線方向可能相同也可能相反，從而使正負(fù)偏差都存在。

一個(gè)較為理想的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使正、負(fù)偏差都很小，零偏差最好。

時(shí)鐘偏差的來源

時(shí)鐘偏差的來源大致如下圖所示：

時(shí)鐘偏差分析

結(jié)合上圖中的引起時(shí)鐘偏差來源，大致可對(duì)時(shí)鐘偏差進(jìn)行分類，系統(tǒng)偏差、隨機(jī)（random）偏差、漂移（drift）偏差、抖動(dòng)（jitter）偏差，不同類型的偏差的原因如下：

• 系統(tǒng)（systematic）偏差：時(shí)鐘產(chǎn)生器、時(shí)鐘門控器、電容負(fù)載、互連線的偏差，可預(yù)估并通過設(shè)計(jì)來糾正。
• 隨機(jī)（random）偏差：工藝離散引起元器件和互連線參數(shù)的隨機(jī)變化，無法預(yù)估，但可以測(cè)試，并用可校準(zhǔn)延時(shí)元件來補(bǔ)償。
• 漂移（drift）偏差：與時(shí)間有關(guān)的環(huán)境因素（如溫度隨時(shí)間變化、溫度的空間梯度變化）變化所致，也可補(bǔ)償，但需實(shí)時(shí)。
• 抖動(dòng)（jitter）偏差：高頻環(huán)境變化（如電源浪涌、串?dāng)_）導(dǎo)致的電路延時(shí)隨時(shí)間和空間的變化，最難以防范，因補(bǔ)償電路來不及對(duì)它進(jìn)行響應(yīng)。

下面針對(duì)其中幾個(gè)原因進(jìn)行舉例分析。

時(shí)鐘線長(zhǎng)度不一引入偏差

由于時(shí)鐘在驅(qū)動(dòng)不同單元時(shí)，不同單元布局分布在不同區(qū)域，所以使得時(shí)鐘扇出的信號(hào)進(jìn)行實(shí)際布線的長(zhǎng)度長(zhǎng)短不一，從而引起了時(shí)鐘偏差，如下圖所示，La和Lb長(zhǎng)度不同，所以時(shí)鐘對(duì)應(yīng)到單元A和單元B的時(shí)鐘延遲不同，使兩個(gè)單元的時(shí)鐘存在偏斜。

電源變化引入偏差

Itanium 2 處理器芯片電源電壓的空間分布：1.2V標(biāo)稱電源電壓下的最大變化為±100mV，由此導(dǎo)致的延時(shí)變化為13%/100mV。

Itanium 2電源電壓的空間分布

溫度變化引入偏差

對(duì)Itanium 2的仿真結(jié)果表明，溫 度在芯片上的非 均勻分布達(dá)到 20℃時(shí)，會(huì)導(dǎo)致 1.5%的延時(shí)變化。

工藝變化引入偏差

工藝上變化也會(huì)引入時(shí)鐘的偏差，如溝道長(zhǎng)度、閾值電壓和片上誤差。

溝道長(zhǎng)度：Itanium 2的標(biāo)稱值為180nm，工藝離散導(dǎo)致的偏差可能高達(dá)±12.5nm，這會(huì)導(dǎo)致±10%的延時(shí)變化。

閾值電壓：0.18um工藝下，小nMOS管（W<12.5um）、小pMOS管、 大nMOS管、大pMOS管的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為16.8、14.6、7.9、3.5mV， 這會(huì)導(dǎo)致一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2%的延時(shí)分布。

片上誤差 （on-chip variation， OCV）空間分布，相同的緩沖器單元因所處芯片位置 不同而產(chǎn)生的延遲誤差。

門控器引入偏差

反相器鏈的延遲差以及C1與C2的差會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘偏斜|t2 -t1 | 。采用邏輯努力技術(shù)合理設(shè)計(jì)反相器鏈的級(jí)數(shù)及門間面積比，可減少乃至消除此偏差。

下圖的D鎖存器的時(shí)鐘偏斜來源于反相器的延遲以及C1與C2的差。通過調(diào)整兩個(gè)NOR2門的面積 比，可對(duì)時(shí)鐘偏斜進(jìn)行補(bǔ)償。

負(fù)載變化引入偏差

負(fù)載變化會(huì)引入時(shí)鐘偏差，柵電容與所加電壓有關(guān)，時(shí)鐘負(fù)載與鎖存器/寄存器的當(dāng)前狀態(tài)及下一個(gè)狀態(tài)有關(guān)。如下圖所示，不同電平變化會(huì)影響時(shí)鐘負(fù)載的微小變化。

總結(jié)

1. 時(shí)鐘延遲（clock latency） 是指從時(shí)鐘源到終點(diǎn)所花費(fèi)的總時(shí)間。時(shí)鐘偏斜（clock skew） 是指到達(dá)不同時(shí)鐘樹終點(diǎn)的時(shí)間差。時(shí)鐘抖動(dòng)（clock jitter） 是指芯片的某一個(gè)給定點(diǎn)上時(shí)鐘邊沿發(fā)生暫時(shí)的隨機(jī)變化，會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘周期的縮短或加長(zhǎng)。
2. 時(shí)鐘偏斜 主要來自時(shí)鐘在空間上的不期望變化，時(shí)鐘延遲和時(shí)鐘抖動(dòng) 主要來自時(shí)鐘在時(shí)間上的不期望變化。
3. 時(shí)鐘偏斜發(fā)生在兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)之間，一般不會(huì)引起電路實(shí)際時(shí)鐘周期的變化，只會(huì) 導(dǎo)致時(shí)鐘相位的偏移 ；時(shí)鐘抖動(dòng)可以發(fā)生在一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)自身，會(huì) 引起時(shí)鐘周期的變化 。
4. 時(shí)鐘偏斜與時(shí)鐘抖動(dòng)統(tǒng)稱為 時(shí)鐘偏差 ，二者之和也叫 時(shí)鐘不確定性（uncertainty） 。邊沿之間的時(shí)鐘抖動(dòng)有時(shí)也被歸于與時(shí)間相關(guān)的時(shí)鐘偏斜。
5. 布線方向會(huì)對(duì)時(shí)序造成正負(fù)偏差的影響，一個(gè)較為理想的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使正、負(fù)偏差都很小，零偏差最好。
6. 時(shí)鐘偏差分為，系統(tǒng)偏差、隨機(jī)（random）偏差、漂移（drift）偏差、抖動(dòng)（jitter）偏差，不同偏差的原因不同，可通過合理的設(shè)計(jì)將相應(yīng)的影響規(guī)避或影響降至最低。