JP2005310970A - クロック配線構造およびクロック伝播遅延時間の調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
簡易な構成で、クロック配線２におけるクロック信号の適切な伝播遅延時間の調整を可能とする。
【解決手段】
本発明に関するクロック配線構造は、クロック信号を伝播するクロック配線２と、クロック配線２に隣接して設けられたシールド配線３とを有している。このクロック配線２の配線容量がシールド配線３によって変化する。本発明は、シールド配線３の配置される長さに基づいてクロック配線２におけるクロック信号の伝播遅延時間が調整されるクロック配線構造である。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体集積回路に関わるものであり、特に高密度集積（ＬＳＩ）回路装置の配線構造に関するものである。

現在、半導体集積回路はクロックに同期した同期式回路が主流になっている。しかし、近年の回路の高集積化高速化に伴い、クロック分配に関して問題点が指摘され、それらを解決するための様々な手法が提案されている。

例えば、同期式回路におけるクロック信号は、その性質上、回路内のすべてのＦＦ（フリップフロップ回路）等に同時に到達することが要求される。現実には、設計、製造、使用に関する様々な要因のために、クロックスキューと呼ばれる到達時刻のバラツキが生じる。クロックスキューは、クロックの高速化の妨げになるだけでなく、回路の誤動作の原因にもなる。クロックの高速化に伴い、クロックスキューの性能に与える影響が相対的に大きくなるため、クロックスキューはできるだけ小さくすることが必要である。

クロックスキューを合わせるため、クロック分配元から供給先までの配線長を合わせたり、遅延素子としてバッファなどを挿入するということが行われている。上述のような遅延素子を挿入する方法では半導体装置内の配線前に、予め遅延時間を計算しておかねばならず、配線長を合わせる方法では冗長なクロック配線により、設計時に予期していない問題が生じる場合があった。

上述のような、配線長を合わせる方法では冗長なクロック配線が発生し、遅延素子を挿入する方法では、きめ細かな調整ができないといった問題点があった。本発明はクロック配線のより適切な伝播遅延時間の調整を目的とするものである。

本発明に関するクロック配線構造は、クロック信号を伝播するクロック配線と、前記クロック配線に隣接して設けられたシールド配線とを有し、前記シールド配線の長さに基づいて前記クロック配線の伝播遅延時間が調整されるクロック配線構造である。このような構成とすることにより、クロック配線のクロック信号の伝播遅延時間を簡単な構成で適切に調整することが可能となる。

また、前記クロック配線と前記シールド配線は実質的に同一幅であることを特徴とし、前記クロック配線および前記シールド配線は自動配線装置により配置されることを特徴とする。この構成により、配線間容量の推定が容易となり、自動配置配線がより容易に行われる。

さらに、前記クロック配線および前記シールド配線の間隔は前記自動配線装置が規定する配線間距離の最短距離とされていることを特徴とする。

一方、本発明に関するクロック伝播遅延時間の調整方法は、クロック入力部から機能ブロックまでのクロック配線を配置する工程と、前記クロック入力部から前記機能ブロックまでのクロック伝播遅延時間を推定する工程と、前記推定したクロック伝播遅延時間に基づいて前記クロック配線に隣接するシールド配線を配置する工程を有している。このような構成により、適切にクロック配線の伝播遅延時間を調整することが可能となる。

さらに、前記シールド配線の長さを変えることにより、前記クロック伝播遅延時間が調整される。このような構成により、クロック伝播遅延時間を容易に予測でき、伝播遅延時間の調整模様意図することが出来る。

さらに、前記シールド配線の長さは前記クロック配線と実質的に同一幅の前記シールド配線が隣接して配置された場合の配線間容量に基づいて決定される。このような構成によりさらに容易にクロックの伝播遅延時間を推定し、適切な調整が可能となる。

本発明により、クロック配線のクロック信号の伝播遅延時間を簡単な構成で適切に調整することが可能となる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態１の半導体集積回路のクロック配線構造を示す図である。図１に示すように、この実施の形態のクロック配線構造ではクロック配線２、シールド配線３を有しており、図１には配線領域上の仮想グリッド線１、クロック信号入力回路４、クロック信号出力回路５も模式的に示されている。

図１において、配線領域上には、配線が配置される基準となる仮想グリッド線１が図面の縦・横方向に格子状に配置されている。この仮想グリッド線１は自動配線装置の自動配置配線プログラムが配線を設計する際の基準として用いられるものであり、クロック信号をはじめとする各種の信号を伝達する配線は基本的にこの仮想グリッド線に基づいて配置される。クロック配線２は半導体集積回路内の各機能ブロックに動作の基準となるクロック信号を分配するための配線である。シールド配線３は半導体集積回路の固定電位に接続される配線であり、この実施の形態ではグランド電位に接続されている。クロック信号入力回路４はクロック配線２にクロック信号を入力する回路であり、例えば外部の発振回路で生成されたクロック信号を入力バッファなどを介してクロック配線２に入力する回路である。出力回路５はクロック配線２を伝播してきたクロック信号を必要に応じて増幅、整形などを行い、次段のクロック配線や機能ブロックなどに出力する回路である。

図１に示されるように、この発明のクロック配線２は仮想グリッド線１に基づく形で配線が配置されている。シールド配線３はクロック配線２に隣接して配置されており、クロック配線２が配置される仮想グリッド線に隣接する仮想グリッド線に基づいて配置されている。つまりクロック配線２とシールド配線３は互いに隣接しあう仮想グリッド線１上に配置されている。

このような構成とすると、クロック配線２と隣接するシールド配線３との間に配線間容量が生じるため、クロック配線２の配線容量が変化してくる。図２はこの配線間容量の様子を模式的に示した図である。図２は隣接しあう配線の少なくとも一方に信号が流れるとその配線間の距離ｄや配線幅Ｗ、配線の高さｔなどに応じて容量成分Ｃが生じることを示している。つまりシールド配線３があることによりクロック配線２の配線容量も変化するのである。クロック配線２の配線容量が変化すると、クロック配線２上のクロック信号の伝搬遅延時間も変化する。したがって、クロック配線２の両側に配置されるシールド配線３の長さによりクロック配線２の配線容量を変化させることが可能となる。

なお、一般的なゲートアレイなどの場合、１つの半導体集積回路上に配置される各配線の配線幅、高さ、隣接する配線との最短距離などは、そのゲートアレイなどの設計ルールに基づいて一様に規定されており、１つの半導体集積回路内で変化することはない。つまりこの実施の形態のクロック配線２およびシールド配線３は同一の配線幅Ｗ、高さｔを有しており、断面形状は実質的に同一となる。クロック配線２とシールド配線３との距離ｄは自動配置配線プログラムなどに基づく最短距離となっている。なお、この最短距離は隣接する仮想グリッド１間の距離に基づいている。

図３は、図１に示したクロック配線構造を用いて３段のクロックドライバ６、７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄで４個のフリップフロップ９ａ〜９ｄ（あるいはクロック信号に同期して動作する半導体集積回路内の機能ブロック）にクロック信号をツリー状に分配した時のクロックツリーシンセシス回路（ＣＴＳ回路）である。図３のクロックドライバは例えばノンインバーティングバッファ、あるいはバッファである。実際のＣＴＳ回路は３段構成でなくとも複数段用いることにより種々の構成が可能である。

図３に示す回路ではクロック入力バッファ１０を介してクロック信号が入力される。入力されたクロック信号はクロック配線部１１でクロックドライバ６に接続され、クロックドライバ６は、クロック配線部１２で分岐点１３に接続され、分岐点１３は、クロック配線部１２ａ、１２ｂによりクロックドライバ７ａ、７ｂに接続される。クロックドライバ７ａ、７ｂは、クロック配線部１４、１５で分岐点１６、１７に接続されている。分岐点１６は、クロック配線部１４ａ、１４ｂ、クロックドライバ８ａ、８ｂに接続される。クロックドライバ８ａ、８ｂはクロック配線部１４ａ、１５ｂでフリップフロップ９ａ、９ｂに接続されている。分岐点１７は、クロック配線部１５ａ、１５ｂ、クロックドライバ８ｃ、８ｄに接続される。クロックドライバ８ｃ、８ｄはクロック配線部１５ａ、１５ｂでフリップフロップ９ｃ、９ｄに接続されている。

この実施の形態では、図３に示すクロック配線部１２、１４、１５の少なくとも一部は、図１に示すクロック配線構造により構成される。その様子を模式的に表した例を図４および図５に示す。図４および図５において４０はこのＣＴＳ回路が搭載される半導体チップを概略的に表したものである。実際の半導体集積回路ではクロック信号が入力されるまでのクロック配線の経路は個々の半導体集積回路に応じて設計される。

図４は図３におけるクロック配線部１２ａ、１４ａの部分に図１に示すクロック配線構造を適用した例である。この場合、シールド配線３が隣接して配置されたクロック配線部１２ａ、１４ａの部分においてクロック伝播遅延時間が増加させられる。シールド配線３が隣接して配置されていない他のクロック配線部ではクロック信号の伝播遅延時間は増加させられない。つまり配線の所望の伝播遅延時間に応じて、任意の区間のクロック配線部に隣接してシールド配線を配置してやることにより、半導体集積回路全体としてのクロック信号の同期を取ることが可能である。

図５は図３におけるクロック配線部１５ｂの一部分にシールド配線３を隣接して配置した例を示す図である。図５に示すように、クロック配線２に隣接するシールド配線３はクロックドライバ間のある区間のクロック配線部を完全に覆う必要はなく、目的とする伝播遅延時間に応じて、クロック配線部１５ａに隣接する部分の長さを変えることが可能である。このような構成とすることで、よりきめ細かいクロック信号の遅延量の調整が可能である。

つぎにこの実施の形態におけるシールド配線３の配置を決定する方法(クロック伝播遅延時間の調整方法）について説明する。この実施の形態においては、まず例えば自動配置配線プログラムなどにより、ＣＴＳ回路を含む半導体集積回路全体の配置、配線を行う工程が実施される。なおこの初期の配線工程では、図１に示されたようなシールド配線３は配置されておらず、クロック信号を含む各信号線の配線の配置パターンが設計される。つまり遅延時間の調整のためのシールド配線の配置工程はこの工程では行われず後述の工程で行われる。

次の工程ではＣＴＳ回路の入力バッファから、各フリップフロップ（あるいはクロックに同期して動作する機能ブロック）のクロック入力部までクロック信号が伝播するのにかかる伝播遅延時間をシミュレーションにより計算し、推定する。

次に、計算された各フリップフロップまでの伝播遅延時間を比較することにより、クロック信号が入力バッファに入力されてから、フリップフロップに到達するまでにもっとも時間のかかっているフリップフロップを特定する。

次に、もっとも遅く（遅延して）クロック信号が到達するフリップフロップよりもクロック信号が早く到達するフリップフロップに接続されるクロック配線部に対して図１に示すようなシールド配線３を隣接して配置する。この際、配置する長さ、場所はクロック信号の伝播遅延時間の差に応じて決定される。例えば図３において、フリップフロップ９ａの伝播遅延時間＜フリップフロップ９ｂの伝播遅延時間、となった場合は、クロック配線部１４ａにシールド配線３を配置することで伝播遅延時間の均一化が可能となる。図３における４個のフリップフロップ９ａ〜９ｄへの伝播遅延時間がそれぞれ異なった場合でも、クロック配線部１２、１４、１５の各枝部へのシールド配線３を配置し、配置されるシールド配線３の長さをそれぞれの枝部で異ならせてやることにより、伝播遅延時間を均一化することが可能である。

なお、この実施の形態においては１つの半導体集積回路内で各クロック配線２、シールド配線３および配線間の最短距離がゲートアレイなどのように規格に基づいて、一様に規定されており、クロック配線２とシールド配線３の配線間容量を容易に計算することが可能となる。配線幅が場所によって異なる場合などは、配線幅、高さなどの組み合わせが異なるたびに複雑な組み合わせに基づいて配線間容量の計算が必要となるがこの発明の実施の形態ではその必要性が低くなる。したがって、シールド配線３の長さのみを遅延時間に応じて計算することでクロック信号の伝播遅延時間の調整が可能となる。また、配線の高さが増大すると、配線間容量が大きくなる。このような場合は、長さの調整のみで十分に遅延時間を調整することが可能となり、本発明はさらに有効となる。

つまり、クロック信号の遅延量調整のない状態の伝播遅延時間の差から、ある決められた配線幅などに応じた配線間容量の関係に基づいて、隣接するシールド配線３の長さを求めることでクロック信号の遅延時間を調整し、伝播遅延時間の均一化がはかれる。このことにより遅延時間調整素子などを必要とせず、また遅延時間調整のための計算もより簡潔で複雑な処理を必要としなくなり、適切な遅延時間の調整が可能となる。

以上実施の形態では、クロック信号が供給される回路としてフリップフロップを例として説明したが、クロック信号に同期してある機能を実施する機能ブロックであればどのような回路にでも本発明の適用は可能である。

また、実施の形態ではクロック配線の両側にシールド配線が配置される例を用いて説明したが、場合に応じてはその片側にのみシールド配線が隣接して配置されることも可能である。また実施の形態では配線幅、高さ、隣接する配線間の最短距離が規定されている例としてゲートアレイを例に挙げて説明したが、例えばセミカスタムＬＳＩなどで、自動配置配線などに、このような制限が設けられている場合も本発明は適用可能である。また、クロック信号に限らず、配線幅、高さ、隣接する配線間の最短距離が規定されている場合、信号線に隣接するシールド線を儲け、その配置される長さを可変とすることで適宜信号の遅延量の調整が可能である。

本発明の実施の形態のクロック配線構造を示す図である。 配線間容量を示す模式図である。 クロック分配回路を示す回路図である。 本発明の実施の形態のクロック配線、シールド配線の配置を示す図である。 本発明の実施の形態のクロック配線、シールド配線の配置を示す図である。

符号の説明

１ 仮想グリッド線
２ クロック配線
３ シールド配線
４ クロック信号入力回路
５ クロック信号出力回路
１１、１２、１４、１５ クロック配線部

Claims (7)

1. クロック信号を伝播するクロック配線と、
   前記クロック配線に隣接して設けられたシールド配線とを有し、
   前記シールド配線の長さに基づいて前記クロック配線の伝播遅延時間が調整されることを特徴とするクロック配線構造。
2. 前記クロック配線と前記シールド配線は実質的に同一幅であることを特徴とする請求項１に記載のクロック配線構造。
3. 前記クロック配線および前記シールド配線は自動配線装置により配置されることを特徴とする請求項１および２に記載のクロック配線構造。
4. 前記クロック配線と前記シールド配線との距離は前記自動配線装置が規定する配線間距離の最短距離とされていることを特徴とする請求項３記載のクロック配線構造。
5. クロック入力部から機能ブロックまでのクロック配線を配置する工程と、
   前記クロック入力部から前記機能ブロックまでのクロック伝播遅延時間を推定する工程と、
   前記推定したクロック伝播遅延時間に基づいて前記クロック配線に隣接するシールド配線を配置する工程とを有するクロック伝播遅延時間の調整方法。
6. 前記シールド配線の長さを変えることにより、前記クロック伝播遅延時間を調整することを特徴とする請求項５に記載のクロック伝播遅延時間の調整方法。
7. 前記シールド配線の長さは前記クロック配線と実質的に同一幅の前記シールド配線が隣接して配置された場合の配線間容量に基づいて決定されることを特徴とする請求項６に記載のクロック伝播遅延時間の調整方法。

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