低功耗之門控時(shí)鐘設(shè)計(jì)

clock gating和power gating是降低芯片功耗的常用手段，相比power gating設(shè)計(jì)，clock gating的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更為簡單，多在微架構(gòu)、RTL coding階段即可充分考慮，在綜合時(shí)(compile_ultra -gate_clock)即可自動mapping到clock gating結(jié)構(gòu)上去。本文先講解clock gating，ICG的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：

門控時(shí)鐘電路有效的降低了動態(tài)功耗，因?yàn)槠錅p少了時(shí)鐘樹的翻轉(zhuǎn)行為、減少了寄存器clock pin的翻轉(zhuǎn)行為、減少了大量MUX邏輯消耗的功耗，一般可以節(jié)省20%-60%的功耗，同時(shí)也節(jié)省了MUX面積。

門控時(shí)鐘單元分成兩種，一種是帶鎖存器(latch based)的門控時(shí)鐘單元，一種是不帶有鎖存器(latch free)的門控時(shí)鐘單元。latch based的門控時(shí)鐘單元能避免毛刺，因此更推薦使用。

門控時(shí)鐘又分為離散的和集成的(ICG)兩種：

1. 離散的CG單元
   1)帶latch的CG（默認(rèn)）
   set_clock_gating_style -sequential_cell latch
   2)不帶latch的CG
   set_clock_gating_style -sequential_cell none
2. 集成的CG單元（ICG）
   set_clock_gating_style -negtive_edge_logic "integrated"

通常，在執(zhí)行命令compile_ultra -gate_clock前需要設(shè)置好clock gating的相關(guān)配置選項(xiàng)，具體選項(xiàng)如下：

set_clock_gating_style的options解析如下：

• -sequential_cell none | latch

1)-sequential_cell latch(默認(rèn))指帶latch的CG(latch based style), 并可指定使用具體某個latch cell，比如：-sequential_cell latch:lib_cell。

2)-sequential_cell none指不帶latch的CG(latch free style)，比如:

與門做CG，時(shí)鐘使能為1時(shí)鐘穿透AND，但posedge trigger存在毛刺；

或門做CG，時(shí)鐘使能為0時(shí)鐘穿透OR，但negesge trigger存在毛刺；

• -minimum_bitwidth minsize_value

為了節(jié)省gating cell的數(shù)量，需達(dá)到一定寄存器數(shù)量的register bank才使用gating cell。

• -setup setup_value 指定建立時(shí)間

• -hold hold_value 指定保持時(shí)間

• -positive_edge_logic {cell_list | integrated [active_low_enable]

  [invert_gclk]}

  1. {cell_list}用于指定“上升沿”觸發(fā)使用的CG單元。需要注意的是-sequential_cell指定的是否有l(wèi)atch應(yīng)該和cell_list的對應(yīng)電路是否含有l(wèi)atch保持一致，如：

     set_clock_gating_style -sequential_cell latch -positive_edge_logic { latch and }

     set_clock_gating_style -sequential_cell none -positive_edge_logic { or }

  2. {integrated}用于表明使用上升沿觸發(fā)的ICG單元。

     如下圖所示，該ICG單元就是一個pre-conctrolled positive-edge triggered clock gating latch。

  

• -negative_edge_logic {cell_list | integrated [active_low_enable]

  [invert_gclk]}

1. {cell_list}用于指定"下降沿”觸發(fā)使用的CG單元。需要注意的是-sequential_cell指定的是否有l(wèi)atch應(yīng)該和cell_list的對應(yīng)電路是否含有l(wèi)atch保持一致，如：

   set_clock_gating_style -sequential_cell **latch ** -negtive_edge_logic { latch or }

   set_clock_gating_style -sequential_cell ** none ** -negtive_edge_logic { and }

   如下圖，-sequential_cell none指定latch-free模式，但是cell_list卻指定了latch、and/or, 這種情況下，DC工具仍然會綜合出latch-based clock-gating的電路。
   

2. {integrated}用于表明使用下降沿觸發(fā)的ICG單元。

如下圖所示，該ICG單元就是一個pre-conctrolled negative-edge triggered clock gating latch。

• -control_point none | before | after
  對于DFT測試電路，為了滿足電路可控，需要引入TE信號來控制latch的使能端。before就是在Latch之前插入或門，將TE信號和時(shí)鐘使能信號或起來然后連接到Latch的D端。同理，after就是在Latch之后插入或門，將TE信號和Latch的Q端或起來然后連接到IGG的AND門。
• -num_stages num_stages_count
  工具默認(rèn)只使用一級門控時(shí)鐘，而使用多級門控時(shí)鐘可進(jìn)一步節(jié)省面積、降低功耗。如下圖，a信號被三個CG單元共享，那么將a信號做成第一級CG，b、c、d做成第二級CG。這樣，增加了一個CG但減少了3個與門，同時(shí)節(jié)省了組合邏輯和第二級的CG的功耗。
  set_clock_gating_style -num_stages 2
  
  那么如何編寫門控時(shí)鐘的RTL代碼風(fēng)格呢？
  第一種風(fēng)格：

綜合出來電路有32個MUX2選擇器：

我們換一種寫法，DC工具就可將load_cond作為Latch的使能，從而一個clock gating cell便取代了32個MUX2，節(jié)省了大量面積的同時(shí)，還節(jié)省了32個寄存器的動態(tài)功耗，32MUX2組合邏輯的功耗，也節(jié)省了時(shí)鐘樹上buffer的功耗。

那么如何保證ICG中Latch的時(shí)序呢？

除in2reg、reg2reg、reg2out、in2out類型路徑外，我們會經(jīng)常看到reg2cgate的setu/hold檢查，即clock gate上enable信號要比clock信號提前到達(dá)一段時(shí)間setup和保持一段時(shí)間hold。

通常clock gate上的setup較難收斂，如下圖

1. register CK端作為launch clock發(fā)起端，latch的CK端作為capture捕獲端，它們之間天然會存在skew k，即clock tree必然不balance。
2. Latch的時(shí)序檢查只有半個時(shí)鐘周期；
3. register Q到Latch EN的combo邏輯延遲；

解決辦法：

• 一般將clock gate 單元放在寄存器附近以減小skew。
• 也可以采用set_clock_gating_check，加大對clock gating時(shí)序約束。

對于clock gating cell，synthesis時(shí)就會插入，和CTS沒太大關(guān)系，一般只要確保clock timing check打開的就行。

另外，CTS工具會對其做clone、declone操作。

• ICG cell Clone: 同一個ICG單元控制的寄存器較多或者分布不均勻時(shí)，就會導(dǎo)致ICG時(shí)鐘連線過長，可通過clone ICG cell進(jìn)行優(yōu)化；
• ICG cell De-Clone: 同一個ICG單元控制的寄存器較少，導(dǎo)致ICG cell數(shù)量過多，可通過De-clone ICG cell進(jìn)行優(yōu)化；