JP2001117967A - クロック分配設計方法、及び、木構造のバッファ回路 - Google Patents

クロック分配設計方法、及び、木構造のバッファ回路

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JP2001117967A
JP2001117967A JP30037499A JP30037499A JP2001117967A JP 2001117967 A JP2001117967 A JP 2001117967A JP 30037499 A JP30037499 A JP 30037499A JP 30037499 A JP30037499 A JP 30037499A JP 2001117967 A JP2001117967 A JP 2001117967A
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Kazuhiro Nakajima
和広 中嶋
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Abstract

(57)【要約】 【課題】クロックスキューの最小化によりそれの低減効
果を大きくし、チップ面積を最小化する。 【解決手段】多数のバッファBUF1〜11から形成さ
れる木構造10のクロック分配回路の配置と配線を生成
し、クロック分配回路のその配線の共通点であるBUF
1から配線の最終段の各部位であるBUF4〜11に到
達する伝達時間を計算し、基準時間に対する各部位のB
UF4〜11の伝達時間との差分が許容範囲を越える木
構造10の部分のバッファのみに関して、有限個の複数
の遅延用バッファであるBUFA〜Eからなるバッファ
群から、それらの差分をその許容範囲の中に納めること
ができる遅延時間を持つ遅延用バッファに置換して、そ
れらの置換によってもそれらの差分が許容範囲内に納ま
らないバッファを選択的に短絡する。配線長が短いこと
と、遅延量が初期的に短くなっていることとが相俟っ
て、置換後の短絡はそのスキューの削減効果が優れ、ク
ロック信号の性能が優れている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、クロック分配設計
方法、及び、木構造のバッファ回路に関し、特に、クロ
ック信号の性能を劣化させずにクロックスキューをより
一層に低減することができるクロック分配設計方法、及
び、木構造のバッファ回路に関する。
【0002】
【従来の技術】分配されるクロック信号のクロックスキ
ューを低減するために、枝分かれした各部位が基準点か
ら等配線長に位置するようにトポロジックに配線される
クロックツリーの構造(木構造)が知られている。この
ような等配線長にクロックツリーが形成されているが、
配線の微細化、配線の多層化が進められると、配線の微
細なバラツキにより配線抵抗にバラツキが生じ、この配
線抵抗のバラツキにより発生する信号伝達の遅延は、こ
れを無視できなくなる。
【0003】このようなクロックスキューを低減するた
めの技術が、特開平10−11494号で知られてい
る。公知のこの技術は、設計されたクロックツリーを形
成するバッファを他のバッファと選択的に置換すること
により、ツリー上の各部位で遅延時間(伝播時間)を同
じにしている。例えば、図5に示されるように、BUF
3とBUF11をそれぞれに用意された他のバッファと
置換する。ここで、他のバッファは、入力論理閾値が異
なる複数の用意されたバッファから選択されるバッファ
である。クロックスキューを低減するための他の技術
が、特開平7−98616号で知られている。公知のこ
の技術は、図4に示されるように、ツリー構造の各段、
又は、数段に1段の割合でその段に属する全てのバッフ
ァの出力端子をショートさせている。
【0004】配線構造が立体化・微細化され、更に高精
度のクロックが要求されると、置換による遅延時間の調
整には限界が生じる。複雑化する木構造の最終段のバッ
ファをショートさせる技術は、そのショートのための配
線長が非常に長くなるという問題点を抱えている。配線
長を仮に長くしてショートさせたとしても、もともとの
分配回路のクロックスキューが大きい時には、ショート
によるクロックスキューの低減効果は期待する程には大
きくならない。更に、出力バッファの貫通電流が大きく
なり、ノイズ、EMにより、誤動作の可能性が大きくな
るという問題点も抱えている。短絡配線が長くなると、
クロック信号の伝達時間が大きくなるという問題点が更
に存在し、配線領域が広くなってチップサイズが大きく
なることは、チップサイズを小さくしたいという最終課
題にとって大きな障害になっている。
【0005】クロックスキューの最小化によりそれの低
減効果を大きくする設計が望まれ、且つ、設計時間の現
実的な短縮が可能であることが好ましい。更に、最終的
にはチップサイズを小さくすることが求められる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、クロ
ックスキューの最小化によりそれの低減効果を大きくす
ることができるクロック分配設計方法、及び、木構造の
バッファ回路を提供することにある。本発明の他の課題
は、クロック信号の性能の劣化を抑えつつクロックスキ
ューの最小化によりそれの低減効果を大きくすることが
でき、更に、設計時間の現実的な短縮が可能であるクロ
ック分配設計方法、及び、木構造のバッファ回路を提供
することにある。本発明の更に他の課題は、チップサイ
ズを小さくすることができるクロック分配設計方法、及
び、木構造のバッファ回路を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】その課題を解決するため
の手段が、下記のように表現される。その表現中に現れ
る技術的事項には、括弧()つきで、番号、記号等が添
記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複
数・形態又は複数の実施例のうちの少なくとも1つの実
施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特
に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現さ
れている技術的事項に付せられている参照番号、参照記
号等に一致している。このような参照番号、参照記号
は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の
技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このよ
うな対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の
形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されるこ
とを意味しない。
【0008】本発明によるクロック分配設計方法は、多
数のバッファ(BUF1〜11)から形成される木構造
(10)のクロック分配回路の配置と配線を生成するこ
と、クロック分配回路のその配線の共通点(BUF1)
から配線の最終段の各部位(BUF4〜11)に到達す
る伝達時間を計算すること、基準時間に対する各部位
(BUF4〜11)の伝達時間との差分が許容範囲を越
える木構造(10)の部分のバッファのみに関して、有
限個の複数の遅延用バッファ(BUFA〜E)からなる
バッファ群から、それらの差分をその許容範囲の中に納
めることができる遅延時間を持つ遅延用バッファ(BU
FA〜E)に置換すること、それらの置換によってもそ
れらの差分が許容範囲内に納まらないバッファを選択的
に短絡することとを含む。
【0009】ここで、許容範囲は、精度的には0.0
(ns)が例示され得る。最終段を形成するバッファが
置換により更新され、大方の末端のバッファから出力さ
れるクロック信号は同期化され、置換によっても許容範
囲に入っていない他のバッファは短絡される。そのよう
な置換後の他のバッファの遅延量は、許容範囲を越えて
いても小さく調整されている。遅延量がこのように小さ
く調整されているバッファの短絡、即ち、短絡の前に置
換されて遅延量が調整された後の短絡は、配線長が短い
ことと相俟って、許容範囲の中で更にそのスキューが有
効に低減され、且つ、そのクロック信号出力の立ち上が
りがより急峻である。
【0010】置換することは、木構造の少なくとも2つ
の階層で実行され得る。その2つの階層のうちの1つは
最下層であることが特に好ましい。更に、置換すること
は、最終段よりも上段のバッファの置換と、上段のバッ
ファの置換の後の最終段のバッファの置換とを備える。
このような2段階の置換の後の最終段の短絡は、そのス
キューの低減効果が著しく、且つ、信号性能が特によ
い。
【0011】本発明によるクロック分配設計方法は、多
数のバッファから形成される木構造のクロック分配回路
の配置と配線を生成すること、クロック分配回路の配線
の共通点(BUF1)から配線の最終段の各部位(BU
F4〜11)に到達する伝達時間を計算すること、基準
時間に対する各部位(BUF4〜11)の伝達時間との
差分が許容範囲を越える木構造(10)の部分のバッフ
ァのみに関して、有限個の複数の遅延用バッファ(BU
FA〜E)からなるバッファ群から、差分を許容範囲の
中に納めることができる遅延時間を持つ遅延用バッファ
(BUFA〜E)に置換することとを含み、ここで、置
換することは、上位段のバッファ(BUF3)を置換す
ることと、上位段のバッファ(BUF3)の置換の後に
その上位段(BUF3)に連なる下位段のバッファ(B
UF8〜11)を置換することとを備える。
【0012】上位段では短絡されていないので、上位段
の短絡による配線長の増大が下位段特に最終段のバッフ
ァのクロック信号出力の遅延に悪影響を与えない。上位
段のバッファの置換によって最終段の全バッファの遅延
をなくすことができる場合には、いかなる短絡も必要で
はない。
【0013】
【発明の実施の形態】図に一致対応して、本発明による
クロック分配設計方法の実施の形態は、木構造のクロッ
ク信号分配回路が設計される。そのクロック信号分配回
路は、トポロジックに対称である2つの分配回路10,
10’が並列に設けられている。木構造の1つの分配回
路10は、11個のバッファであるBUF1〜BUF1
1から形成されている。木構造の他の1つの分配回路1
0’は、他の11個のバッファBUF1’〜BUF1
1’から形成されている。ここで、BUF1とBUF
1’は、ルートバッファとして共通である。
【0014】BUF2とBUF3は、BUF1にその出
力端から2つに分岐する配線で接続されている。以下、
各バッファの位置は、それの出力端の位置で定義され
る。BUF2の位置とBUF3の位置は、BUF1から
等距離にあるとは限らない。ここで等距離とは、配線長
が等しいことである。BUF2とBUF1の間の配線長
は、BUF2とBUF1の間の配線長に等しいとは限ら
ない。
【0015】BUF1は、ルート階層に属する単一のバ
ッファである。BUF2とBUF3は、ルート階層より
段数又は階数が1段又は1階だけ低い第2階層に属して
いる。第3階層は2群に分岐し、1つのその群にはBU
F4〜BUF7が属している。他のその1つの群には、
BUF8〜BUF11が属している。4つのBUF4〜
BUF7は、BUF2からそれぞれに等距離に配置され
ているとは限らない。4つのBUF8〜BUF11は、
BUF3からそれぞれに等距離に配置されているとは限
らない。両群は、BUF1を通るある基準線に対して空
間的に対称に配置されているとは限らない。BUF4〜
BUF7は、BUF2に対して点対称に配置されている
とは限らない。BUF8〜BUF11は、BUF3に対
して点対称に配置されているとは限らない。
【0016】BUF2’〜BUF11’は、BUF1を
通るある他の基準線に対して空間的にBUF2〜BUF
11と対称に配置されているとは限らない。BUF1と
BUFN(Nは、2〜11)の間の距離は、N=N’で
あれば、BUF1とBUFN’(N’は、2’〜1
1’)との間の距離に等しいとは限らない。BUF2と
BUFN(Nは、4〜7)の間の距離は、N=Mであれ
ば、BUF2とBUFM(Mは、4〜7)との間の距離
に等しいとは限らない。BUF2とBUFN(Nは、5
〜11)の間の距離は、N=Mであれば、BUF2とB
UFM(Mは、8〜11)との間の距離に等しいとは限
らない。
【0017】このような配置・配線構造を形成する全バ
ッファ1〜11,1’〜11’のそれぞれの全物理定数
(例示:立上がり速度、立ち下がり速度、遅延時間、出
力の大きさ)と、全配線のそれぞれの物理定数(線幅、
抵抗)が全く同じであっても、ルートバッファBUF1
から各階層に属する全バッファまでの信号伝達時間が全
く同じであるとは限らない。配置・配線の構造がトポロ
ジックに理想的に等長的であり対称に形成されていて
も、バッファの物理的動作定数と配置・配線の構造関係
によって、ルートバッファから各バッファにクロック信
号が伝達される伝達時間である遅延時間は同じになると
は限らず、現実に許容範囲を越える遅延時間のバラツキ
が生じる。
【0018】全バッファ1〜11,1’〜11’のため
に、有限個である5個の異なったバッファA〜Eが共通
に用意されている: バッファA:遅延時間−0.2ns(バッファCに対す
る遅延時間は−0.2ns) バッファB:遅延時間−0.1ns(バッファCに対す
る遅延時間は−0.1ns) バッファC:遅延時間−0.0ns バッファD:遅延時間+0.1ns(バッファCに対す
る遅延時間は+0.1ns) バッファE:遅延時間+0.2ns(バッファCに対す
る遅延時間は+0.2ns)
【0019】2個の全バッファ1〜11,1’〜11’
には、バッファA〜Eの群から選択的に適用される。図
2は、図1に示される配置・配線構造の接続関係を示し
ている。ルートバッファBUF1の入力端はSで示さ
れ、木構造10の第3階層のBUF4〜11の出力端
は、A,B,C,・・・,G,Hで示されている。第1
設計段階では、11個のBUF1〜11には共通して同
じBUFCが当てられている。図中、11個のBUFN
(Nは、1〜11)は、BUFN(BUFC)で示され
ている。
【0020】この第1設計段階で設計された木構造の配
置関係から、BUF1からBUF2,3を介してBUF
4〜11に伝達されるクロック信号の伝達時間(遅延時
間)の既述のバラツキが計算により算出される。その算
出結果が下記の遅延時間を持っていたとする。 S→Aの伝達時間(遅延時間):1.2ns S→Bの伝達時間(遅延時間):1.3ns S→Cの伝達時間(遅延時間):1.4ns S→Dの伝達時間(遅延時間):1.2ns S→Eの伝達時間(遅延時間):1.1ns S→Fの伝達時間(遅延時間):1.0ns S→Gの伝達時間(遅延時間):0.9ns S→Hの伝達時間(遅延時間):1.2ns
【0021】置換用のブロックであるバッファA〜E群
のうちの1つをバッファCと置換することにより、正負
0.2nsの遅延の調整が可能である。設計装置は、S
→A,・・・,Hのそれぞれの遅延時間の平均を計算し
て、その平均値に近い遅延時間であるS→A,S→Dの
遅延時間の1.2nsを基準遅延時間として設定する。
S→A,S→Dの遅延時間は基準遅延時間に等しいの
で、SBUF4,7に関して置換は実行されない。
【0022】置換1:基準遅延時間よりも+0.1ns
だけ遅延時間が長いS→Bに含まれるBUF5(BUF
C)をBUFCより−0.1nsだけ遅延するバッファ
Bに置換することにより、S→Bの遅延時間は標準遅延
時間の1.2nsに一致する。従って、BUF5(BU
FC)をBUFBに置換する。
【0023】置換2:基準遅延時間よりも+0.2ns
だけ遅延時間が長いS→Cに含まれるBUF6(BUF
C)をBUFCより−0.2nsだけ遅延するバッファ
Aに置換することにより、S→Cの遅延時間は標準遅延
時間の1.2nsに一致する。従って、BUF6(BU
FC)をBUFAに置換する。
【0024】置換3:遅延時間が0.9nsでありS→
Gの回線に含まれるBUF10をバッファ群A〜Eのう
ちのどの1つに置換しても、S→Gの遅延時間は1.2
nsになることはない。この場合には、第2階層のBU
F3(BUFC)を置換せざるを得ない。BUF3(B
UFC)をBUFCに対して−0.2nsだけ遅延時間
が短い(+0.2nsだけ遅延時間が長い)バッファE
に置換する。BUF3(BUFC)のバッファEへの置
換により、−0.2nsだけ遅延しているS→Fに含ま
れるBUF9(BUFC)の置換は必要ではなくなって
いる。
【0025】置換4:基準遅延時間よりも−0.1ns
だけ遅延時間が長いS→Eに含まれるBUF8(BUF
C)をBUFCより−0.1nsだけ遅延するバッファ
Bに置換することにより、S→Eの遅延時間は標準遅延
時間の1.2nsに一致する。従って、BUF8(BU
FC)をBUFBに置換する。
【0026】置換5:基準遅延時間よりも−0.3ns
だけ遅延時間が長いS→Gに含まれるBUF10(BU
FC)をBUFCより+0.1nsだけ遅延するバッフ
ァDに置換することにより、S→Gの遅延時間は標準遅
延時間の1.2nsに一致する。従って、BUF10
(BUFC)をBUFDに置換する。
【0027】置換6:基準遅延時間に一致しているS→
Hに含まれるBUF11(BUFC)をBUFCより−
0.2nsだけ遅延するバッファAに置換することによ
り、S→Hの遅延時間は標準遅延時間の1.2nsに一
致する。従って、BUF11(BUFC)をBUFAに
置換する。
【0028】このように置換1〜6により得られる木構
造に適用されるバッファは、図3に示される通りであ
る。この木構造10の第3階層のBUF4〜11の全出
力端から出力される全クロック信号は、0.0nsの精
度で互いに同期している。既述の例では、複数置換の組
合せによって、全ての末端のバッファの出力の遅延調整
が可能になっているが、もし、BUF11を含むS→H
の遅延時間が1.2nsでなくて1.4nsであれば、
BUF10とBUF11の遅延時間の開きが0.5ns
となり、正負0.2nsの遅延時間の調整が可能である
バッファ群A〜Eの5個のバッファ資源によっては、全
配線路S→A〜Hの遅延時間を同一にする調整は不可能
である。図中、最終段の全バッファを短絡している配線
は、予想される短絡の配線を示しているが、既述の実施
の形態では短絡配線は、点Pと点Qの間のみであり短
い。
【0029】この場合、図1に示されるBUF11の出
力端PとBUF9の出力端Qとをショート(短絡)す
る。このような短絡により、点Qに出力されるクロック
信号が優先されて、点Pのクロック信号は点Qのクロッ
ク信号に代替される得る。即ち、遅延時間が短い出力端
が優先され得る。図1中で、黒丸印は、最終段のバッフ
ァの出力端子のショート可能性位置を示し、どことどこ
の出力端をショートするかは、既述の計算結果による。
【0030】既述の複数のステップからなるプロセスで
は、必ずしも最適なショート配線が得られているとは限
らない。より低い階層のバッファのうちの幾つかのバッ
ファの置換を行って他の残りのバッファに関してショー
ト配線を行った場合の全配線長と、より低い階層のバッ
ファの置換によって全ての末端のバッファの出力の遅延
時間を等しくすることができない場合に、より高い階層
のバッファの置換を行った後により低いバッファの置換
を行って他の残りのバッファについてショート配線を行
った場合の全配線長とを比較することにより、より短い
配線長になる置換とショートの組合せが発見される。
【0031】このように、最終段のバッファの出力端か
ら出力されるクロック信号の遅延量の差分が初期的に適
正に小さく設計される。それらの遅延量の差分が許容範
囲を越える特定のバッファのみが短絡されている。この
ような短絡により、全配線長が短くなって配線抵抗が小
さくなっており、同時に、クロックスキューのバラツキ
の幅が初期設計段階で少なくなっている。バラツキ幅が
大きい場合には、短絡によるクロックスキューの低減効
果は期待通りに大きくならないが、配線抵抗が短く、且
つ、クロックスキューのバラツキの幅が少ないツリー構
造の最終段の特定のバッファの短絡は、その短絡による
クロックスキューの削減効果を一層に有効化している。
【0032】上段のバッファ間の短絡による最終段のバ
ッファのクロックスキューの低減化は、その効果が薄
い。上段のバッファの置換により最終段のバッファの遅
延のバラツキ幅を小さくすることは、上段のバッファが
下段のバッファに与える遅延影響を少なくすることがで
きる。
【0033】
【発明の効果】本発明によるクロック分配設計方法、及
び、木構造のバッファ回路は、配線抵抗が小さい。クロ
ックスキューのバラツキが少ないツリー構造の最終段の
特定のバッファの短絡は、その短絡によるクロックスキ
ューの削減効果を有効化しているので、結果的に、クロ
ック信号の劣化を抑えつつ、チップの面積を極少化する
ことができる。
【0034】バッファの置換によっては遅延を解消でき
ない場合にのみ上段のバッファの置換を行って、最終段
のバッファの置換による配線長の増大を抑えることによ
り、上段のバッファの短絡を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明による木構造のバッファ回路の
実施の形態を示す回路図である。
【図2】図2は、図1の回路に等価である木構造を示す
回路ツリー図である。
【図3】図3は、バッファ置換後の回路ツリー図であ
る。
【図4】図4は、公知の分配回路を示す回路図である。
【図5】図5は、公知の木構造を示す回路ツリー図であ
る。
【符号の説明】
10…木構造 BUF1〜11…バッファ(各部位) BUF1…共通点 BUF4〜11…木構造の部分のバッファ(最終段のバ
ッファ) BUF3…上位段のバッファ BUF8〜11下位段のバッファ BUFA〜E…遅延用バッファ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H03K 5/15 H03K 5/15 G 5J056 19/0175 19/00 101N Fターム(参考) 5B046 AA08 BA06 JA03 5B079 CC02 CC04 CC14 DD08 DD13 5F038 CD06 CD08 CD09 5J001 AA11 DD07 5J039 EE06 MM06 5J056 AA00 AA39 BB57 BB59 CC00 CC05 FF01 HH03 KK00

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】多数のバッファから形成される木構造のク
    ロック分配回路の配置と配線を生成すること、 前記クロック分配回路の前記配線の共通点から前記配線
    の最終段の各部位に到達する伝達時間を計算すること、 基準時間に対する前記各部位の伝達時間との差分が許容
    範囲を越える前記木構造の部分のバッファのみに関し
    て、有限個の複数の遅延用バッファからなるバッファ群
    から、前記差分を前記許容範囲の中に納めることができ
    る遅延時間を持つ遅延用バッファに置換すること、 前記置換によっても前記差分が前記許容範囲内に納まら
    ないバッファを選択的に短絡することとを含むクロック
    分配設計方法。
  2. 【請求項2】請求項1において、 前記置換することは、前記木構造の少なくとも2つの階
    層で実行されるクロック分配設計方法。
  3. 【請求項3】請求項2において、 前記2つの階層のうちの1つは最下層であるクロック分
    配設計方法。
  4. 【請求項4】請求項1において、 前記置換することは、 前記最終段よりも上段のバッファの置換と、 前記上段のバッファの置換の後の最終段のバッファの置
    換とを備えるクロック分配設計方法。
  5. 【請求項5】多数のバッファから形成される木構造のク
    ロック分配回路の配置と配線を生成すること、 前記クロック分配回路の前記配線の共通点から前記配線
    の最終段の各部位に到達する伝達時間を計算すること、 基準時間に対する前記各部位の伝達時間との差分が許容
    範囲を越える前記木構造の部分のバッファのみに関し
    て、有限個の複数の遅延用バッファからなるバッファ群
    から、前記差分を前記許容範囲の中に納めることができ
    る遅延時間を持つ遅延用バッファに置換することとを含
    み、 前記置換することは、 上位段のバッファを置換することと、 前記上位段のバッファの置換の後に前記上位段に連なる
    下位段のバッファを置換することとを備え、 前記最終段の全バッファは短絡されないクロック分配設
    計方法。
  6. 【請求項6】設計された木構造のバッファ回路中の特定
    のバッファが置換された後に最終段の特定のバッファが
    短絡される設計により製造された木構造のバッファ回
    路。
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