時鐘樹是什么？介紹兩種時鐘樹結構

今天來聊一聊時鐘樹。首先我先講一下我所理解的時鐘樹是什么，然后介紹兩種時鐘樹結構。

時序器件傳遞信號的時候需要依賴時鐘，而STA一項關鍵的檢查就是不能有setup/hold violation。如果對于同一時鐘域的兩個時序器件，如果他們接收到的時鐘之間有相位差，有可能會使setup/hold更難滿足，如果產生violation，芯片就會發生邏輯錯誤。

而時鐘從時鐘源到sink是需要一定的傳播時間的，距離時鐘源越遠的器件傳播時間越長。

有的時候data的傳播方向和clock的傳播方向相同，如果不做任何時鐘樹處理，這種情況對setup有好處；有的時候data傳播方向與clock傳播方向相反，這就對hold有好處；而如果電路中存在反饋回路，那data傳播方向就不確定。

所以為了能使上述所有情況都有一個較好的時鐘性能，我們會希望時鐘到達每個時序器件的時間一樣，也就是傳播時間的差（skew）越接近0越好。時鐘樹的目的正是如此。因為時鐘樹實在太過重要，現在也是很多人研究的課題。

我想說的第一種結構就是H-tree。它的結構確實很形象的像一棵樹，是應用最廣的結構了。

對于一個四四方方完全對稱的芯片來說，H-tree會先從root長到整個芯片的中心，再分出兩個trunk到芯片左右兩側，分出的trunk與root相互垂直，每個trunk再分兩個垂直枝干出來……不斷這樣分下去，得到一個簡單的分形結構，最終的leaf連接到相應的clock pin上。

這樣在物理上就可以保證每一個cell到root的走線長度一致，相應的net上的delay就會一樣，再加上整個tree上的buffer也都相同，就能保證傳播時間完全一致，從而實現skew為0. 當然實際的芯片不會這么理想化，長出來的H-tree也不一定像一個個H，但它的邏輯結構是一樣的。

并且另外一種升級版的H-tree就不保證走線長度一樣了，只要保證RC信息一致即可，好像可以稱為RC-tree（或者一般也就叫H-tree了）。

第二種結構是網格狀的（mesh）。就是把時鐘樹的每一級做成一個網格，級與級之間用多個buffer相連，最終把最后一級mesh接到clock pin上。

可是這樣不就等于把多個driver的output接在一起了嗎？這在我們ERC檢查的時候是違反的呀？但是，制定output不能短接的依據是擔心一個output輸出1一個output輸出0，這樣會造成電源地之間的短路。

但是對于clock mesh來說，它的buffer全部都是同時變化，永遠是一樣的狀態，這也就使mesh成為可能。

但是，畢竟每個buffer到達的時間還是會有一丟丟的差別，還是會存在很短的瞬間電源和地在mesh上發生短路，再加上mesh本身就需要更多繞線，它的功耗是非常大的。另一個缺點就是會占用很多繞線資源。

但是mesh的skew容易做的更小，畢竟每一級它們的輸出都接在了一起，只有最后一級接在不同pin上?？梢哉fmesh是犧牲了功耗換取更小的skew。

現在大多數的design還是在利用傳統的H-tree，只不過它的變式很多。mesh結構更復雜，EDA tool也不能很好地自動化完成，設計上相對更加困難。