講講Latch的功能？Timing Path如何分析？

Latch功能

Latch的電路結(jié)構(gòu)如下圖：

Latch電路結(jié)構(gòu)

當(dāng) E = 1 時(shí)，latch直傳（transparent），D端信號的變化會即時(shí)反應(yīng)在Q端；

當(dāng) E = 0 時(shí)，latch關(guān)斷（closed），Q端保持關(guān)斷瞬間D端的值。

設(shè)計(jì)中使用Latch的好處是，相比寄存器的面積更小，功耗更低，可以從后級電路進(jìn)行time borrowing，更容易滿足setup time，然而壞處是STA分析不會那么直接，下面我們就看看引入了Latch的Timing Path如何分析。

Time Borrowing

在數(shù)字設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會碰到如下圖所示的Path，兩個寄存器（UFF0和UFF1）之間存在一個鎖存器（ULAT1），這種情況工具會怎么分析path呢？不同STA工具的行為會有稍微的區(qū)別，我們先以PT傳統(tǒng)的分析方法來解釋。

加入Latch后的電路圖

Time Borrowing示意圖

根據(jù)Latch的特點(diǎn)，在CLKN為高電平時(shí)，ULAT1是transparent，ULAT1/D端的數(shù)據(jù)能即時(shí)地反映在ULAT1/Q端。上圖中的情況是，UFF0->ULAT1/D的Path Delay使得ULAT1/D數(shù)據(jù)在CLKN的上升沿之后才到達(dá)，需要從后一級ULAT1->UFF1中借了1.81ns，使得原本違例的path滿足了要求，而ULAT1->UFF1的timing path即使借出去1.81ns，也能夠滿足要求，具體的timing report如下：

UFF0->ULAT1的Timing Path

ULAT1->UFF1的Timing Path

這里需要指出的一點(diǎn)是，在計(jì)算setup timing的時(shí)候，在UFF0->ULAT1中，ULAT1的clock path是按照early/min模式計(jì)算的，而在ULAT1->UFF1中，ULAT1的clock path是按照late/max模式計(jì)算的，有一部分公共路徑的CRPR是不會被排除掉的，所以現(xiàn)在的PT引入了一種新的latch timing分析的模式，它把latch當(dāng)成一個組合邏輯，在分析UFF0->UFF1的path時(shí)可以穿過ULAT1，這里只提示一下可以通過下面這個選型來打開，從而可以減少悲觀度：

set_app_var timing_enable_through_paths true

這種模式下，Latch的D Pin只能作為Endpoint，不能作為Startpoint，所以在report_timing的時(shí)候也要注意是用-to還是-through的區(qū)別：

report_timing -to $latch_d_pin
report_timing -through $latch_d_pin

需要注意的是，這種through模式只是針對setup，對hold分析還是保持不變。下面接著看一個用latch來解決跨時(shí)鐘域hold timing問題的應(yīng)用。

Lockup Latch in Scan Chain

為了芯片測試的需要，我們會用Scan Chain的方式將絕大部分的寄存器串鏈起來，在不影響功能的情況下，以簡單的方式測試電路中寄存器的良率。但是存在一種情況，前后相鄰的兩級寄存器如果時(shí)鐘不一樣（跨時(shí)鐘域），如下圖所示：

加入Lockup latch之前的電路圖

由于CLK1和CLK2為不同的時(shí)鐘域，很難保證他們同步，假如CLK2相比CLK1有一段不確定的延遲Tskew，可大可小，那么很有可能FF1/CLK1->FF1/Q->FF2/SI這段延時(shí)Tdata會比Tskew小，造成hold timing違例。

加入Lockup latch之前的hold timing時(shí)序圖

上一節(jié)提到Latch有time borrowing的功效，假如在兩級寄存器之間加入一個latch，結(jié)構(gòu)如下圖所示：

加入Lockup latch之后的電路圖

CLK1低電平的時(shí)候，Lockup Latch是transparent，CLK1高電平的時(shí)候Lockup Latch一直保持上一拍的數(shù)據(jù)，這樣即使CLK2有延遲，只要不超過CLK1高電平持續(xù)時(shí)間，就能保證hold timing沒有問題。

加入Lockup latch之后的hold timing時(shí)序圖

在DC中可以很方便的實(shí)現(xiàn)這一功能，具體會在RTL2GDS微信公眾號的綜合/DFT教程中詳細(xì)介紹。

Clock Gating Check

Latch的另一個應(yīng)用是作為門控時(shí)鐘單元(Clock Gating Cell)，通過避免部分寄存器不必要的時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)，可以極大地節(jié)省電路的動態(tài)功耗。實(shí)際應(yīng)用中，為了避免出現(xiàn)毛刺，會在Latch后面添加一個與門組成一個ICG（Integrated Clock Gating）。

ICG電路結(jié)構(gòu)

由于ICG是用在clock path上，STA工具默認(rèn)會要求做CLKI到EN端的clock gating check，目的是保證時(shí)鐘使能的時(shí)序滿足要求，所以會存在REG2ICG的path。因?yàn)镮CG的clock會比REG的clock delay要短，所以天然存在一個skew對setup不利，特別是假如有多級的ICG級聯(lián)，更加加重了這種情況。在設(shè)計(jì)上，需要保證REG2ICG的數(shù)據(jù)路徑不能太復(fù)雜，否則物理實(shí)現(xiàn)會存在困難。

在CTS之前，由于clock tree是ideal的，考慮不到這種skew的不利影響，所以往往需要通過SDC命令"set_clock_gating_check"人為地設(shè)置，讓綜合或者布局工具提前認(rèn)識到這一點(diǎn)并提前優(yōu)化。

需要注意的是，不僅僅ICG需要clock gating check，如果clock path上存在與門、或門等邏輯也需要進(jìn)行clock gating check。