射频识别芯片设计中时钟树功耗的优化与实现

port_clock_gating

　　这个阶段的目的是通过综合工具（DC）进行门控单元的自动插入，以便进一步减小功耗。

　　需要注意的是对插入ICG的参数的设定，比如maximum fanout（扇出越大越节省功耗，扇出越平衡skew越小，视设计而定，如图所示），以及minimum_bitwidth参数的设定，另外对于较复杂的门控结构需要插入常开ICG以使时钟网络结构更加平衡。

　　4.3 时钟树综合阶段优化功耗

　　图5 两种时钟树结构对比（a）：多级纵深型；（b）：少级扁平型

　　先介绍一下时钟树综合参数对时钟树结构的影响：

　　Skew ：时钟偏移，总的时钟树综合目标。

　　Insertion delay（Latency）：时钟路径总延时，用于限定时钟树级数的增加。

　　Max taranstion：由最大转换时间限定一级buffer能驱动的buffer 的数量。

　　Max Capacitance Max Fanout：由最大负载电容、最大扇出限定一级buffer 能驱动的buffer 数量。

　　一般设计中的时钟树综合以降低时钟skew为最终目的，加大level级数，减小每级fanout，将投入较多buffer，更精确的平衡每条时钟路径的 latency，从而得到较小skew。但是对于低功耗设计，尤其是当时钟频率较低的时候，时序要求并不是很高，所以希望能减小时钟树的规模以减小时钟树带来的动态翻转功耗。如图所示，通过减小时钟树level级数，加大fanout可以有效减小时钟树的规模，但由于buffer 数量的减少，较之多级结构的时钟树，级数较少结构的时钟树只是大概平衡每条时钟路径的latency，得到的skew较大。可见，以降低时钟树规模为目标，进行低功耗时钟树综合是以增大一定的skew为代价的。

　　具体到本RFID芯片，我们采用了TSMC 0.18um CMOS LOGIC/MS/RF工艺，时钟频率只有1.92M，是非常低的，此时时钟进行时钟树综合时，采用以降低时钟树规模为目标的低功耗时钟树综合，主要对 skew，latency和transiton这几个约束进行了设定，由于约束fanout会带来时钟树级数的增加，带来功耗的增加，所以没有设定这个值，采用库里的默认值。在实际中，我们使用了9种不同的时钟树约束条件，约束条件及综合结果如表1 所示。

　　5 结论

　　如表1所示，总的趋势就是target skew设的越大，最终的时钟树规模越小，时钟树buffer数量越小，对应的动态静态功耗也越小，这样就达到了节省时钟树功耗的目的。可以看到当target skew大于10ns后，功耗基本不再变化，但是基于大的skew值会带来hold时序的变差导致修复时序的时候插入buffer增多，所以应该进行折中，从图表来看策略5和策略6为优选方案。另外当skew设置选出最优后，还可以看到Max transition值设的越大最终得到的功耗也越小，这可以理解为时钟信号跃迁的时间越长所需要的能量越小。另外latency约束的设置可以尽量放大，其值的大小对最终的功耗结果影响不大。
作者   常晓夏,潘亮,李勇