在芯片和fpga设计中,为什么要做clocktree?

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在芯片与FPGA设计中，为何需要构建clock tree？本文将详细解析这个关键步骤及其原因。

1. clock tree的必要性

以ASIC设计为例，工程师通过综合将RTL代码转化为由foundry提供的标准单元组成的网表。标准单元如buffer等具有有限的驱动能力，若试图用一个面积微小的buffer驱动长距离信号，且要求信号快速翻转，实际上这几乎是不可能的。标准单元的输出延迟和跳变时间在不同情况下存在固定的查找表，工具会基于输入跳变时间和输出负载进行计算，以确保信号传输质量。时钟信号的transition time必须严格控制，否则波形将无法正常翻转。因此，优化clock tree对于确保信号高质量传输至关重要。

2. clock tree的平滑化原因

STA（Static Timing Analysis）分析是确保设计满足时序要求的重要手段。若不进行clock tree平滑化，可能导致特定路径的时钟信号在接收端比发射端延时更长，这将增加收敛难度。通过在关键寄存器之前插入缓冲器，可以有效减小发射与接收端的时钟skew，从而提高时序收敛性。

3. clock tree的平滑化与否

决定是否进行clock tree平滑化，需考虑设计的具体需求。某些情况下，数据流方向使得接收端时钟较短，此时不平滑可能更容易收敛。然而，为了确保hold时间的稳定，可能需要在接收端插入额外的延迟单元，这在实际设计中是常见的权衡。实际项目中，除了pipeline设计，很少有如此简单的数据流向，因此在多数情况下，进行clock tree平滑化是明智之举。

4. 复位与clock tree

关于复位，无论是同步复位异步释放还是异步复位同步释放，都是需要通过时序分析来确保正确性的设计元素。复位信号同样需要满足严格的时序要求，以确保逻辑电路在复位期间处于期望状态。因此，从本质上来说，复位与普通寄存器的时序分析并无本质区别。