JP3587184B2 - Clock distribution circuit with clock tree structure - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クロックツリー構造によるクロック分配回路およびその設計方法に関し、特に半導体集積回路においてクロックスキューを低減し、しかも回路規模および消費電力を少なくできるクロック分配回路およびその設計方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体集積回路においては、一つの発信器からのクロック信号を分配して多数のフリップフロップ等の回路を同期して駆動する場合が多い。このような同期回路の動作を高速化するためには、クロックスキューを極力低減する必要がある。
【0003】
従来のこのようなクロック信号を多数の回路に分配するものとしてHーtree構造の分配回路がある。Hーtree構造とは、図2に示すようにH形状の回路の中央にクロック発信器からクロック信号を印加し、そのH形状の両側の直線の回路の末端それぞれに直行する回路を更に連結し、この直交する回路の末端に更にこれに直行する回路を連結することを繰り返し、中央部のH形状回路を中心として次第に小さくなるH形状の回路が組み合わせられた木構造をなす回路で、一の直線回路の末端を次の直線回路の中央に位置させて回路を分岐していき、クロックスキューが発生しないようにしている。通常は、各分岐点にクロックドライバーが配置される。このHーtree構造は、クロックスキューを調整するには、有効であるが、分岐された各回路の信号の伝搬時間が同じになるように実際には不要な位置にもクロックドライバーを配置することが多く、冗長なクロックドライバを多数設置することにより、集積回路の回路規模および消費電力の点で問題があった。
【0004】
Hーtree構造を用いない従来の他のクロック分配回路の設計方法としては、CTS(クロック・ツリー・シンセシス)がある。CTSは、配線長、抵抗、容量および途中に介在するクロックドライバー等による影響を考慮してクロック信号発信器からクロック信号の分配先の回路までのクロックスキューが最少となる配線経路をコンピュータを用いて決定する方法で、冗長なクロックドライバを設ける必要はないが、クロックスキューを十分に低減するのは、困難であった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来のH−Tree構造を用いたクロック分配回路は、多数の冗長なクロックドライバにより、集積回路の回路規模、消費電力が問題となっていた。一方、CTSによるクロック信号の分配回路の設計では、クロックスキューを十分に低減するのが困難であった。
【0006】
本発明の目的は、冗長なクロックドライバを設けることなく、しかもクロックスキューを十分に低減できるクロックツリー構造によるクロック分配回路およびその設計方法を提供することにある。
【0009】
本発明のクロックツリー構造によるクロック分配回路は、クロック信号発生器に近い部分の上位の段(図1の1)はHーtree構造(図1の15)とし、
前記上位の段以外の部分である下位の段(図1の2)はクロック・ツリー・シンセシスにより決定した構造で、かつ前記上位の段のHーtree構造の末端それぞれについて下位に連なるクロックドライバは当該Hーtree構造末端に対し一の方向に延びる帯状の領域(図1の3)内に配置した構造であることを特徴とする。
【0010】
本発明のクロックツリー構造によるクロック分配回路は、クロック信号発生器に近い部分の上位の段(図1の1)はHーtree構造(図1の2)とし、
前記上位の段以外の部分である下位の段はクロック・ツリー・シンセシスにより決定した構造で、かつ前記上位の段のHーtree構造の末端それぞれについて一の方向に延びる領域(図3の4)を当該一の方向に等分割した複数の小領域(図3の5、6)に分け、前記上位の段のHーtree構造の末端に直接接続するクロックドライバが前記複数の小領域の中央に位置するもの(図3の5)に配置され、当該末端に直接接続するクロックドライバの次の段のクロックドライバが他のクロックドライバと重ならないように前記複数の小領域のいずれかに配置された構造であることを特徴とする。
【0013】
本発明のクロックツリー構造によるクロック分配回路の設計方法は、クロック信号発生器に近い部分の上位の段(図1の1)をHーtree構造(図2の15)として決定した後に、
前記Hーtree構造を固定配線として前記上位の段以外の部分である下位の段(図1の2)をクロック・ツリー・シンセシスにより決定し、かつ前記上位の段のHーtree構造の末端それぞれについて下位に連なるクロックドライバを当該Hーtree構造末端に対し一の方向に延びる帯状の領域(図1の3)内に配置することを特徴とする。
【0014】
本発明のクロックツリー構造によるクロック分配回路の設計方法は、クロック信号発生器に近い部分の上位の段(図1の1)をHーtree構造(図2の15)として決定した後に、
前記Hーtree構造を固定配線として前記上位の段以外の部分である下位の段(図1の2)をクロック・ツリー・シンセシスにより決定し、かつ前記上位の段のHーtree構造の末端それぞれについて一の方向に延びる領域(図3の4)を当該一の方向に等分割した複数の小領域(図3の5、6)に分け、前記上位の段のHーtree構造の末端に直接接続するクロックドライバを前記複数の小領域の中央に位置するもの(図3の5)に配置し、当該末端に直接接続するクロックドライバの次の段のクロックドライバを他のクロックドライバと重ならないように前記複数の小領域のいずれかに配置した構造であることを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】
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。
【0016】
図1は、本発明の実施の形態の半導体集積回路のクロック分配回路の概略を示す図である。
【0017】
図1において、クロックドライバ11は、クロック信号発信器(図示せず)からクロック信号を直接、入力し、分岐して2つのクロックドライバ12に送出する。クロックドライバ12それぞれは、2つずつのクロックドライバ13にクロック信号を分岐して送出し、クロックドライバ13それぞれは、2つずつのクロックドライバにクロック信号を分岐して送出する。
【0018】
すなわち、クロックドライバ11〜14は、クロックツリーを構成し、クロックドライバ11は第1段目を構成し、クロックドライバ12、13および14は、それぞれ第2段目、第3段目および第4段目を構成する。
【0019】
本実施の形態では、第1段目および第2段目の上位の段1をH−Treeで構成し、第3段目および第4段目の下位の段2をCTSで構成している。
【0020】
図2は、クロック分配回路の半導体集積回路上での配置を示す図である。クロックドライバ11および12は、太い線で示すHーtree15を構成し、クロックドライバ13および14は、CTSにより構成したものである。ただし、図1の概略図と異なり1つのクロックドライバ12は、4つのクロックドライバ13にクロック信号を分岐して送出している。
【0021】
また、CTSで生成するクロックドライバ13および14を領域3内にのみ収めるように配置位置を制限し、H−Tree15の末端と、CTSにより生成したクロックドライバ13および14との接続は、配置と同時に接続されるかまたは一方向のみ等の単純な配線で接続されるようにしておく。
【0022】
本実施の形態のクロック分配回路の設計は、CAD(コンピュータ支援による設計)によりコンピュータを使用するにしても設計者の判断により、クロックドライバ11および12を含むHーtree15を配置、決定する。この際にHーtree15の末端は領域3内に位置させる。この領域3は、Hーtree15の末端それぞれについて定められ、いずれかのHーtree15の末端の下位に連なるクロックドライバ13および14が、その末端に対し一の配線方向の配線に接続され得るように位置する領域である。図2では、Hーtree15の末端の2つずつが同一の配線方向上にあるため、2つの末端に対して1つの領域3が設けられている。
【0023】
次に、このように決定したHーtree15を固定配線として、クロックドライバー13および14を、これらを領域3内に位置させる条件でコンピュータを用いてCTSにより決定する。クロックドライバ13および14を領域3内に位置させることにより、Hーtree15の末端とクロックドライバ13との配線を単純にして配線長のばらつきを防ぐことができ、またクロックドライバ13と14との配線も単純なものにでき、正確に同期するクロックツリーの配線が容易になる。
【0024】
図2に示すクロック分配回路のH−Tree部分においては、クロックドライバを固定配置し、クロック配線を固定配線し、クロック信号のスキュー低減効果が大きい。またCTS部分においては必要に応じたクロックドライバーのみを配置するように設計でき、冗長なクロックドライバを用意しておく必要がない。なお、図2では、Hーtree15の末端の全てにクロックドライバ13を接続したが、クロック信号を必要とするフリップフロップ等の回路の配置状況によっては、一部の末端にクロックドライバ13が配置されないようなCTSの実行結果となる場合もある。
【0025】
図1ではH−Treeで構成するクロック分配段数が2段、CTSで分配する段数が2段で構成しているが、それぞれの段数は任意の段数で構成してもよい。また、各段の分配数も任意でよい。
【0026】
また、図2でCTSでのクロックドライバ13および14の領域3内での配置位置は制限していないが、CTSで分配する各段のものを図3のように別々に配置を指定してもよい。すなわち、図3において、Hーtreeの末端に対し一の配線方向の帯状の領域4を一の配線方向に5つの小領域に等分割し、中央の小領域5にクロックドライバ13を配置し、他の小領域6それぞれに1つまたは0個のクロックドライバ14を配置してクロックスキューの調整を容易にしている。
【0027】
また、図2ではH−Tree15はHの形状の組み合わせたものとなっているが、各段において、分岐点から次の分岐点または末端までの配線長または信号の遅延時間が等しければ、任意の形状でもよい。例えば、1つの分岐点で3つ以上に分岐してもよいし、配線が縦横以外の斜め方向のものでもよい。ただし、CTSの実行においては、Hーtreeは固定配線とすることが条件である。
【0028】
【発明の効果】
以上説明したように、クロックツリーの上位の段をH−Tree構造で、下位の段をCTSで構成することにより、クロックツリー全体の末端までH−Treeで構成した場合と比較して、冗長なクロックドライバを不要とし、末端に置かれるクロックドライバ数を削減することができるため回路規模および消費電力の削減の効果が得られ、また全てをCTSで構成した場合と比較してスキュー調整が容易となり、十分なクロックスキューの調整が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態のクロックツリー構造によるクロック分配回路の概略を示す図である。
【図2】図1に示すクロックツリー構造によるクロック分配回路の集積回路上の配置を示す図である。
【図3】図2に示す領域3を分割した小領域5および6にクロックドライバ13および14を配置した図である。
【符号の説明】
1 上位の段
2 下位の段
3 領域
11〜14 クロックドライバ
15 Hーtree[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a clock distribution circuit having a clock tree structure and a method for designing the same, and more particularly, to a clock distribution circuit capable of reducing clock skew in a semiconductor integrated circuit and reducing circuit size and power consumption, and a method for designing the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In a semiconductor integrated circuit, a clock signal from one oscillator is distributed to drive many circuits such as flip-flops in many cases. In order to speed up the operation of such a synchronous circuit, it is necessary to reduce clock skew as much as possible.
[0003]
A conventional distribution circuit having an H-tree structure distributes such a clock signal to a large number of circuits. In the H-tree structure, as shown in FIG. 2, a clock signal is applied from a clock generator to the center of an H-shaped circuit, and circuits that are orthogonal to the ends of the straight circuits on both sides of the H-shape are further connected. A circuit having a tree structure in which an H-shaped circuit in the center portion is repeatedly combined with a circuit which is orthogonal to the end of this orthogonal circuit, and the circuit which is orthogonal to the circuit is repeated. The end of the linear circuit is positioned at the center of the next linear circuit, and the circuit is branched so that clock skew does not occur. Usually, a clock driver is arranged at each branch point. Although this H-tree structure is effective for adjusting clock skew, it is necessary to arrange a clock driver at a position that is not actually necessary so that the signal propagation time of each branched circuit is the same. However, installation of a large number of redundant clock drivers causes problems in terms of the circuit scale and power consumption of the integrated circuit.
[0004]
As another conventional clock distribution circuit design method that does not use the H-tree structure, there is CTS (Clock Tree Synthesis). The CTS uses a computer to provide a wiring path that minimizes clock skew from a clock signal generator to a circuit to which a clock signal is distributed in consideration of the influence of a wiring length, a resistance, a capacitance, and an intervening clock driver or the like. Although it is not necessary to provide a redundant clock driver in the determination method, it has been difficult to sufficiently reduce clock skew.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional clock distribution circuit using the H-Tree structure, the circuit scale and power consumption of the integrated circuit have become problems due to a large number of redundant clock drivers. On the other hand, in the design of a clock signal distribution circuit using CTS, it has been difficult to sufficiently reduce clock skew.
[0006]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a clock distribution circuit having a clock tree structure and a method of designing the clock distribution circuit that can sufficiently reduce clock skew without providing a redundant clock driver.
[0009]
In the clock distribution circuit according to the clock tree structure of the present invention, the upper stage (1 in FIG. 1) near the clock signal generator has an H-tree structure (15 in FIG. 1),
The lower stage (2 in FIG. 1), which is a part other than the upper stage, has a structure determined by clock tree synthesis, and the lower end clock driver at each end of the H-tree structure of the upper stage is: The H-tree structure is characterized by being arranged in a band-shaped region (3 in FIG. 1) extending in one direction with respect to the end of the H-tree structure.
[0010]
In the clock distribution circuit having the clock tree structure of the present invention, the upper stage (1 in FIG. 1) near the clock signal generator has an H-tree structure (2 in FIG. 1).
The lower stage, which is a portion other than the upper stage, has a structure determined by clock tree synthesis, and extends in one direction at each end of the H-tree structure of the upper stage (4 in FIG. 3). Is divided into a plurality of small areas (5 and 6 in FIG. 3) equally divided in the one direction, and a clock driver directly connected to an end of the H-tree structure of the upper stage is provided at the center of the plurality of small areas. The clock driver of the next stage after the clock driver directly connected to the terminal (5 in FIG. 3) is disposed in any of the plurality of small areas so as not to overlap with another clock driver. It is characterized by a structure.
[0013]
In the method of designing a clock distribution circuit based on the clock tree structure according to the present invention, after the upper stage (1 in FIG. 1) near the clock signal generator is determined as the H-tree structure (15 in FIG. 2),
Using the H-tree structure as fixed wiring, a lower stage (2 in FIG. 1), which is a part other than the upper stage, is determined by clock tree synthesis, and each terminal of the H-tree structure in the upper stage is determined. The clock driver is arranged in a band-shaped area (3 in FIG. 1) extending in one direction with respect to the end of the H-tree structure.
[0014]
In the method of designing a clock distribution circuit based on the clock tree structure according to the present invention, after the upper stage (1 in FIG. 1) near the clock signal generator is determined as the H-tree structure (15 in FIG. 2),
Using the H-tree structure as fixed wiring, a lower stage (2 in FIG. 1), which is a part other than the upper stage, is determined by clock tree synthesis, and each terminal of the H-tree structure in the upper stage is determined. The area (4 in FIG. 3) extending in one direction is divided into a plurality of small areas (5 and 6 in FIG. 3) equally divided in the one direction, and directly divided into the ends of the H-tree structure in the upper stage. The clock driver to be connected is arranged at the one located at the center of the plurality of small areas (5 in FIG. 3), and the clock driver at the next stage of the clock driver directly connected to the terminal is not overlapped with another clock driver. And a structure arranged in any one of the plurality of small areas.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0016]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a clock distribution circuit of a semiconductor integrated circuit according to an embodiment of the present invention.
[0017]
In FIG. 1, a
[0018]
That is, the
[0019]
In the present embodiment, the upper stage 1 of the first and second stages is configured by H-Tree, and the lower stage 2 of the third and fourth stages is configured by CTS.
[0020]
FIG. 2 is a diagram showing an arrangement of the clock distribution circuit on the semiconductor integrated circuit. The
[0021]
Further, the arrangement position is limited so that the
[0022]
In the design of the clock distribution circuit of the present embodiment, the H-
[0023]
Next, using the H-
[0024]
In the H-Tree portion of the clock distribution circuit shown in FIG. 2, the clock driver is fixedly arranged and the clock wiring is fixedly wired, so that the effect of reducing the skew of the clock signal is large. Further, in the CTS portion, it is possible to design such that only a clock driver as necessary is arranged, and it is not necessary to prepare a redundant clock driver. In FIG. 2, the
[0025]
In FIG. 1, the number of clock distribution stages configured by the H-Tree is two, and the number of stages distributed by the CTS is two. However, each of the stages may be configured by an arbitrary number of stages. The number of distributions in each stage may be arbitrary.
[0026]
Although the arrangement position of the
[0027]
In FIG. 2, the H-
[0028]
【The invention's effect】
As described above, by configuring the upper stage of the clock tree with the H-Tree structure and the lower stage with the CTS, a redundant configuration is achieved as compared with the case where the entire clock tree is configured with the H-Tree to the end. No clock driver is required, and the number of clock drivers placed at the end can be reduced, so that the effect of reducing the circuit scale and power consumption can be obtained, and the skew adjustment becomes easier compared to the case where all are configured by CTS. , Sufficient clock skew adjustment is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a clock distribution circuit having a clock tree structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an arrangement of a clock distribution circuit based on a clock tree structure shown in FIG. 1 on an integrated circuit.
FIG. 3 is a diagram in which
[Explanation of symbols]
1 Upper stage 2
Claims (4)
前記上位の段以外の部分である下位の段はクロック・ツリー・シンセシスにより決定した構造で、かつ前記上段のHーtree構造の末端それぞれについて下位に連なるクロックドライバは当該Hーtree構造末端に対し一の方向に延びる帯状の領域内に配置した構造であることを特徴とするクロックツリー構造によるクロック分配回路。 The lower stage, which is a part other than the upper stage, has a structure determined by clock tree synthesis, and a clock driver connected to a lower end of each of the upper H-tree structures has a lower end than the upper H-tree structure. A clock distribution circuit having a clock tree structure, wherein the clock distribution circuit has a structure arranged in a band-shaped region extending in one direction.
前記上位の段以外の部分である下位の段はクロック・ツリー・シンセシスにより決定した構造で、かつ前記上位の段のHーtree構造の末端それぞれについて一の方向に延びる領域を当該一の方向に等分割した複数の小領域に分け、前記上位の段のHーtree構造の末端に直接接続するクロックドライバが前記複数の小領域の中央に位置するものに配置され、当該末端に直接接続するクロックドライバの次の段のクロックドライバが他のクロックドライバと重ならないように前記複数の小領域のいずれかに配置された構造であることを特徴とするクロックツリー構造によるクロック分配回路。 The upper stage near the clock signal generator has an H-tree structure,
The lower stage, which is a part other than the upper stage, has a structure determined by clock tree synthesis, and an area extending in one direction at each end of the H-tree structure of the upper stage is defined in the one direction. A clock driver which is divided into a plurality of equally divided small areas and which is directly connected to an end of the H-tree structure of the upper stage is arranged at a center of the plurality of small areas, and a clock driver which is directly connected to the end. A clock distribution circuit having a clock tree structure, wherein a clock driver at the next stage of the driver is arranged in any of the plurality of small areas so as not to overlap with another clock driver .
前記Hーtree構造を固定配線として前記上位の段以外の部分である下位の段をクロック・ツリー・シンセシスにより決定し、かつ前記上位の段のHーtree構造の末端それぞれについて下位に連なるクロックドライバを当該Hーtree構造末端に対し一の方向に延びる帯状の領域内に配置することを特徴とするクロックツリー構造によるクロック分配回路の設計方法。 A clock driver in which the H-tree structure is fixed wiring and a lower stage other than the upper stage is determined by clock tree synthesis, and a lower end of each of the ends of the H-tree structure of the upper stage is connected to the lower side. Are arranged in a band-like region extending in one direction with respect to the end of the H-tree structure.
前記Hーtree構造を固定配線として前記上位の段以外の部分である下位の段をクロック・ツリー・シンセシスにより決定し、かつ前記上位の段のHーtree構造の末端それぞれについて一の方向に延びる領域を当該一の方向に等分割した複数の小領域に分け、前記上位の段のHーtree構造の末端に直接接続するクロックドライバを前記複数の小領域の中央に位置するものに配置し、当該末端に直接接続するクロックドライバの次の段のクロックドライバを他のクロックドライバと重ならないように前記複数の小領域のいずれかに配置した構造であることを特徴とするクロックツリー構造によるクロック分配回路の設計方法。 After deciding the upper stage near the clock signal generator as the H-tree structure,
Using the H-tree structure as a fixed wiring, a lower stage, which is a part other than the upper stage, is determined by clock tree synthesis, and extends in one direction at each end of the H-tree structure of the upper stage. The area is divided into a plurality of small areas equally divided in the one direction, and a clock driver directly connected to an end of the H-tree structure in the upper stage is arranged at a center of the plurality of small areas. A clock distribution by a clock tree structure, wherein a clock driver at the next stage of a clock driver directly connected to the terminal is arranged in any of the plurality of small areas so as not to overlap with another clock driver. Circuit design method .
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