TWI317464B - Grid clock distribution network reducing clock skew and method for reducing the same - Google Patents

Description

1317464 1163lpi f 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種時脈分布網路，且較特別 的是，有關於一種可經由格狀分布網路，將時脈訊號 分布到半導體積體電路之格狀時脈分布網路。 【先前技術】 一般來說，時脈分布網路是一種電路網路，透過 I 該電路網路可以將時脈訊號傳送到安裝在半導體晶 _ 片上的裝置。並且需要維持傳送到該些裝置的時脈訊 號的相位關係。特別是如果時脈訊號具有完全相同的 相位時，將更為有利。然而，因為該些裝置可能被安 置在距離時脈驅動器不同距離的位置上，和/或該些 裝置可能具有唯一的下載特性，所以所接收到的時脈 ' 訊號可能具有不同的相位。換句話說，該些時脈訊號 可能無法達到完全同步的每一該些裝置的需求，因此 可能造成不想要的相位偏差。這些時脈訊號的相位偏 Φ 差一般稱為時脈偏差（clock skew)。 時脈偏差可能會限制時脈週期時間的減少。如果 時脈偏差很大，則可能會降低半導體晶片的操作速度 和性能。因此，需要在半導體晶片的一個大區域上降 低可能產生的時脈偏差。 格狀時脈分布網路可以提供一個具有在半導體 晶片的一個大區域上完全一致的時脈偏差的時脈訊 號。格狀時脈分布網路的初始設計相當簡單。因此格 1317464 H631pif 狀時脈分布網路可以田+ , h，& & @ m + 用在向逮刼作的半導體晶片 幻如應用在南速的微處理器上。 在有效管理半導體晶片的外邊界和中心之間的 不f要的時脈偏差方面，格狀時脈分布網路 ===話說’時脈偏差可能會發生在時脈訊 唬傳送到的半導體之中的某個位置上。 第1圖緣示—個習知的格狀時脈分布網路。請參 ^第，，習知的格狀時脈分布網路包括安裝在一個 广區（chip regi〇n)110附近的複數個時脈驅動器 ^以及一個分布網路13〇。該些時脈驅動器12〇可 ，收和輸出複數個時脈訊號。分布網路13〇可排列在 二片區110的X-方向和y一方向上，而且時脈驅動器 20所輸出的時脈訊號可經由分布網路130，傳送到 晶片區110的複數個裝置上。其中，不管排列位置如 何，習知的格狀時脈分配網路的時脈驅動器120都具 有相，的大小。也就是說，具有相同驅動容量的時脈 驅動器120,可能以相同的區間間隔安裝在晶片區 110附近。時脈驅動器可以經由分布網路13〇提供 脈訊號。 在上述的結構中，第1圖中的區域A1離時脈驅 動器120的距離較近。因此，時脈驅動器12〇所產生 的時脈訊號可以在相當短的時間内到達區域A1。然 而，相較於區域A1的鄰近區域而言，作為晶片區u、〇 中心的第1圖的區域A2離時脈驅動器12〇的距離較 1317464 H631pif 二因二時脈驅動器12〇所傳送的時脈訊號到達區 =2所需的時間’會大於時脈驅動器終-所傳送 的％脈訊號到達區域A1所需的時間。所以在區域M 和A2之間就會產生時脈偏差。 【發明内容】 本發明的一個較佳實施例提供一種可在半導體 晶片的一個大區域上降低時脈偏差的格狀時脈分布 網路。 本發明的一個較佳實施例所提供的一個時脈分 =網路包括用來輸出時脈訊號的複數個時脈驅動 器，其中至少有一個時脈驅動器具有與至少另一個時 脈驅動器不同的驅動容量，以及一個用來分布該些時 脈驅動器所輸出的時脈訊號的格狀分布網路。 本發明的另一個較佳實施例提供一種格狀時脈 分布網路，用來將時脈訊號分布到安裝在半導體積體 電路晶片區的電路裝置上。該電路包括以χ_方向和 y-方向排列在晶片區附近的複數個時脈驅動器，用來 輸出時脈訊號’其中至少有一個時脈驅動器的驅動容 量大於或小於另_個時脈驅動器的驅動容量。此外， 該網路可能具有一個棑列在晶片區的x_轴和y_軸方 向的分布網路，用來接收該些時脈驅動器所輸出的時 脈訊號’並且將該些時脈訊號傳送給電路裝置。 本發明的另一個較佳實施例提供一種裝置，該裝 置包括一個將訊號分布到一個電路區的訊號分布排 1317464 11631pif 列單元’以及將訊號提供給訊號分布排列單元的複數 個訊號驅動元件，其中至少有一個訊號驅動元件驅動 訊號的方式與另一個訊號驅動元件不同。 本發明的再另一個實施例提供一種將訊號提供 給具有複數個電路元件的半導體晶片區之方法。該方 法包括以一第一速率驅動一個時脈訊號；以一個與第 一速率不同的第二速率驅動一個時脈訊號；以及在同 時間在晶片區之内的不同位置上接收複數個時脈 訊號。 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能 明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖 式，作詳細說明如下。 【實施方式】 以下將參考本發明較佳實施例所附圖式，詳細說 明本發明，其中在所有圖式中，相同號碼代表相同的 元件。 第2圖繪示一個根據本發明一較佳實施例的格狀 時脈分布網路。請參考第2圖，根據本發明一較佳實 施例的格狀時脈分布網路包括複數個時脈驅動器 220和一個分布網路230。 牯脈驅動器220可能排列在一個晶片區21〇的外 部附近，用來接收和輸出複數個時脈㈣。晶片區 210可能環繞半導體晶片㈣個或部分區域。因此， 時脈驅動器220可能排列在半導體晶片的整個區域 1317464 11631pif 附近’或是排列在一個分割（partitioned)或分段 (sectioned)的半導體晶片附近。此外，時脈驅動器 220也可以排列在部分環繞晶片區21〇的位置上。 分布網路230是一個訊號網路，時脈驅動器220 所輸出的時脈訊號，可以透過該訊號網路，分布到排 列在晶片區210的電路裝置上。分布網路230 —般是 以具有相互成比例的x_軸和y_軸的一個格子（grid) 表示。分布網路230可以由可承載電氣脈衝的複數個 $屬線組成。這些時脈線可包括各種整合在其中的邏 輯元件。這些邏輯元件可包括，但並不受限於，正反 器（nip-fi〇ps)、邏輯閘（NMD 閘，AND 閘，和 n 閘等等）和其他類似元件。 曰熟習相關技藝者當知在此所說明的格子是半導 體晶片布置的-種範例。特別的是，半導體晶片的布 ίΐ不—定要互相對稱。此外，半導體層可包括複數 其中每1都包括—個時脈線陣列（array of 1 〇c lines)。因此，本發明的較佳實施 =用¥脈訊相動裝置的大量的不同的半導體 置產品。 4 根據本發明一較佳實施例的時脈驅動 有不同尺寸，和/或且右地一从4e A Mt, ^ g 士 β/、有唯的操作特性。一個可能 具有與一個已知的睥脈瓶叙 b 是時脈縫μ Λ 不同尺相操作特性 :Π。在本發明的-較佳實施例中，者备 個邊緣211a、211b、仙、和仙(在二;； 1317464 1163lpi, 尸可能用來代表一個任意邊緣)的中 ^，母一蚪脈驅動器22〇的時脈驅動特性可 2„所定義一般’晶片區21〇的每“ 了月b疋晶片區210的邊界。 在一個較佳實施例中，如第2圖所示， =L220的驅動容量可藉由調整每-個時脈驅 動崙220的尺寸而調整。時脈驅動器22〇的尺寸可能 會增加而趨近晶片區210的每一邊緣的中心。舉例: ::之考沿著底部邊緣211a排列在χ—軸上的時脈驅 ^ 220,距離y-軸邊緣211〇和2Ud最遠的時脈驅 動器220c的尺寸可能比最接近y_轴邊緣2Uc和 211d的時脈驅動器220a* 22〇e還大。也就是說， 時脈驅動器220a和220e的尺寸一般會比時脈驅動器 220c還小。同樣的，當距χ_軸邊緣以“和2ub的 距離增加時，沿著y-軸邊緣排列的時脈驅動器22〇 的尺寸可能會增加。 不需改變時脈驅動器的實際尺寸，也可以增加和 /或減少時脈驅動器的驅動容量。舉例來， 調-個已知時脈驅動器的配線密度：不= 其整體尺寸，而改變時脈驅動器的輪出。同樣的，根 據使用在其中的訊號驅動電路的類型，也可以專門訂 做（customize)時脈驅動器的輸出位準。而且熟習相 關技藝者當知驅動電路的堅固性（r〇bustness)應該 與其尺寸無關。 1317464 11 6 3lpi f 220在的較ί實施例中，每個時脈驅動器 二=以藉由改變使用在每個時脈驅動

:同或不同尺寸。舉例來說，尺寸為，二；準： ==在最靠近晶片區21。的邊緣211的= ^動益220中’而且當愈靠近邊緣211的中心時在 每個時脈驅動II 22〇中的標準驅動器的個數會增 :。每-個時脈驅動器220的驅動容量也可以藉由適 虽地組合在其中運作的時脈驅動器的尺寸和個 調整。 第3Α圖和第3Β圖繪示時脈驅動器的驅動容量和 與晶片區邊緣的距離之間的相互關係範例。如在此的 說明一般，根據本發明一較佳實施例的每個時脈驅動 器220的驅動容量，會根據與晶片區21〇的一個最靠 近的邊緣211的距離而變。驅動容量和距離之間的相 互關係可能是一個如第3Α圖所示的成比例的線性關 係，或是如第3Β圖所示的函數關係。時脈驅動器22〇 的驅動容量和其與邊緣2iic和211d個別距離之間的 相互關係如第3A圖和第3B圖所示。 如前所述’時脈驅動器220的驅動容量可能會根 據每一時脈驅動器220所在的位置與晶片區21〇的每 一邊緣211的一端之間的距離而改變。也就是說，相 較於傳送到距離時脈驅動器較遠的區域A2的時脈訊 號而言’傳送到較接近時脈驅動器220的區域A1的 10 1317464 U63lpif ¥脈訊號可能會被延遲。因此，將時脈訊號傳送到區 域A2附近的時脈驅動器22〇，可能以較將時脈訊號 傳送到區域A1附近的時脈驅動器220還高的速率傳 送時脈訊號。因此，不管用來接收時脈訊號的裝置被 安裝在晶片區的什麼位置，時脈訊號到達該些裝置的 時間會完全相等。因此可以降低晶片區21〇中的時脈 偏差。 第4A圖和第4B圖繪示習知的格狀時脈分布網路 ,根據本發明一較佳實施例的格狀時脈分布網路的 操作特性的比較圖。在第4A圖和第4B圖中，假設時 脈訊號的一個週期可保持大約丨毫微秒（ns)，也就是 1000微微秒（PS)。 請參考第4A圖，提供給晶片區的電路裝置的時 脈訊號之間的最大偏差大約是1〇微微秒。也就是在 最快的下降邊緣和最慢的下降邊緣之間的時間差，或 最快的上升邊緣和最慢的上升邊緣之大 約是10微微秒。 丁门左大 相反地，請參考第4B圖，在相同的條件下， 供給晶片區的電路裝置的時脈訊號之間的最大偏^ n』λ微秒。因此，相較於習知的時脈分布網 路，其％脈偏差可以下降2微微秒。 ，據本發明的一較佳實施例，可以降 近時脈驅動器的區域的時脈訊號和到 = 驅動器的區域的時脈訊號之間的偏差。因此， 1317464 11631pif 路裝置女裳在什麼位置，到達晶片區的電路裝置的時 脈訊號的時間會完全固定不變。 此外’因為在晶片區中的時脈偏差可能被降低， 所以可以達成改善半導體晶片的性能和操作速度的 目的。

雖然本發明的實施例僅討論在晶片區中降低時 脈偏差的特定範例，本發明也可使用其他的時脈偏差 ，低方法。舉例來說，具有不同驅動容量的時脈驅動 器，也可藉由選擇以變動阻抗位準運作的組件和基礎 結構實現。特別的是，具有較高阻抗位準的組件和基 礎結構可能會妨礙時脈訊號的高速傳送。相反地，具 有較低阻抗位準的組件和基礎結構可能會傾向允許 2訊號餘礙的航。具有各餘抗轉的組件和 結構可能會被用在時脈驅動器中，當成用來將訊 =專达到晶片區的媒體使用’和/或當成格狀時脈分 布網路的-部分使用，藉以^全降低時脈偏差。 雖然本發明較佳實齡m露如上 非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脱籬太 神與範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因 範圍當視後附之申請專利範圍所界 【圖式簡單說明】 示一個習知的格狀時脈分布網路。 第2圖緣示-個根據本發明一較佳實施例的格狀 1317464 11631pif 時脈分布網路。 曰第3A圖和第3B圖繪示時脈驅動器的驅動容量和 與晶片區邊緣的距離之間的相互關係範例。 第4A圖和弟4B圖緣示習知的格狀時脈分布網路 和根據本發明一較佳實施例的格狀時脈分布 網路的 操作特性的比較圖。 【主要元件符號說明】 110 晶片區 120 時脈驅動器 130 分布網路 210 晶片區 211a，211b，211c，211d :邊緣 220, 220a，220b，220c，220d，220e :時脈驅 動器 230 :分布網路

Claims (1)

1317464 116 3lpi f 七、申請專利範圍： 1· 一種時脈分布網路，包括： 複數個時脈驅動器，用來輸出複數個時脈訊號， j時脈驅動n的至少其+之—具有與該些時脈靡 态的至少另一時脈驅動器不同的一驅動容量；以及 一格狀分布網路，用來分布該些時脈驅動器所輪 出的該些時脈訊號，

—其中每一該些時脈驅動器的一驅動容量，是與 二該些時脈驅動ϋ所安置的位置和其功能上相連 的該格狀分布網路的—晶片區的—邊緣之 —距離成比例， 町 該些時脈驅動器排列在具有已定義的複數個面和 複數個邊緣的-晶 >;區附近，而且該些時脈驅動器具 有根據與該些邊緣的其中之一相隔的一距離而‘的 一特定驅動容量，且 該些時脈驅動器的該其中之一是定位在比該些時 脈驅動器的該另外一時脈驅動器距該些邊緣的其中 j一還遠的位置上，而且該些時脈驅動器的該其/中之 一具有較該些時脈驅動器的該另外一時脈驅動器還 大的一驅動容量。 2·如申請專利範圍第1項所述之網路，其中每一 =些時脈驅動器的-驅動容量，是與每—該些時脈驅 二所女置的位置和其功能上相連接的該格狀分布 網路的一晶片區的一邊緣之間相隔的一距離成一函 14 1317464 ll63lpif 數關係。 _ 3.如申請專利範圍第1項所述之網路，其中每一 , 該些時脈驅動器的一驅動容量’可以藉由調整其一尺 ν 寸而調整。 ^ 4.如申請專利範圍第1項所述之網路，其中每一 該些時脈驅動器的一驅動容量，可以藉由調整在每一 該些時脈驅動器中所安裝的該些驅動器的一個數而 調整。 _ 5.如申請專利範圍第1項所述之網路，其中每一 ，些時脈驅動器的一驅動容量，可以藉由調整在該些 時脈驅動器中所安裝的該些驅動器的一尺寸和一個 數而調整。 6. 如申請專利範圍第1項所述之網路，其中該虺 時脈驅動器接收並且接下來輸出該些時脈訊號。"一 7. 一種將複數個時脈訊號分布到排列在一半導 體積體電路的一晶片區中的複數個電路裝置之袼狀 時脈分布網路，該網路包括： 複數個時脈驅動器，排列在該晶片區附近的—卜 =向和一 y_軸方向上，該些時脈驅動器用來輸 。二時脈訊號，而且該些時脈驅動器的至少其中之一 „ :有大於或小於該些時脈驅動器的另一時脈： 的一驅動容量；以及 郡w -=網路，排财該晶片區㈣㈣方向㈣ y-財向上，該分布網路料接收該些時脈驅動器^ 輸出的該些時脈訊號 些電路裝置， 其中每一該些時脈驅動器的一驅動容量， :該些時脈驅動器所安置的位置和該晶片區的」： 緣之間相隔的一距離成一函數關係， 邊 該

1317464 H631pif 並且將該些時脈訊號傳送給 該晶片區具有已定義的複數個面和複數個邊緣 而且該些時脈驅動器具有根據與該些邊緣的其中 一相隔的一距離而定的一特定驅動容量，且 該些時脈驅動器的該其中之一是定位在比該些 脈驅動器的該另外-時脈驅動H距該些邊緣的^中 之一還遠的位置上，而且該些時脈驅動器的該其中之 一具有較該些時脈驅動器的該另外一時脈驅動器還 大的一驅動容量。 8.如申請專利範圍第7項所述之網路，其中每一 該些時脈驅動器的一驅動容量，可以藉由調整其一尺 寸而調整。 9.如申請專利範圍第7項所述之網路，其中每一 該些時脈驅動器的一驅動容量’可以藉由調整在每一 該些時脈驅動器中所安裝的該些驅動器的一個數而 調整。 10. 如申請專利範圍第7項所述之網路，其中該 些時脈驅動器是以相同的間隔排列在該X-軸方向和 該y~軸方向上。 11. 如申請專利範圍第7項所述之網路，其中該 16 1317464 1163lpi f 些時脈驅動器接收並且接下來輸出該些時脈訊號。

17 1317464 11631pif 四、 指定代表圖： (一） 、本案代表圖為：第2的負載圖 (二） 、本案代表圖之元件代表符號簡單說明： 210 ·晶片區 211a，211b，211c, 211d :邊緣 220，220a, 220b, 220c, 220d，220e :時脈驅 動器 230 :分布網路 五、 本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵 的化學式： 無0