מאת: פול קונינגהאם וסטיב וילקוקס, קיידנס.
הגישה המסורתית כלפי CTS מתבססת על צמצום הבעיה של הטיית שעון (clock skew) והיא מופרדת ממיטוב הלוגיקה. הבעיה היא שמתכנני השבבים של ימינו מתמודדים עם “פער תזמון” הולך וגדל בין השעונים האידיאליים המיושמים לפני ה-CTS לבין השעונים המושהים והמדויקים יותר שמיושמים אחרי ה-CTS. פער תזמון זה מונע על-ידי גורמים כמו חסימת שעון (clock gating) עבור צריכת הספק נמוך, שינויים על השבב ומורכבות תכנון. בצומת של 40/45 ננומטר, פער תזמון השעון יכול להגיע עד 50% ממחזור השעון (clock period).
מיטוב בניית עץ שעונים בתהליך בו-זמני (CCOPT) הינה טכנולוגיה המגשרת על פער תזמון זה. היא הופכת את ה-CTS למונע על-ידי תזמון ובו-זמנית למיזוגו עם מיטוב הלוגיקה במקום על-ידי ההטייה בלבד.
במאמר זה נראה מדוע הפכה טכנולוגיית ה-CCOPT להכרחית, כיצד עובד ה-CTS בתזרימי התכנון הקיימים היום, מה הם החסרונות שלו וכיצד יכול מיטוב בניית עץ השעונים הבו-זמני לסלול את הדרך עבור דור חדש של מערכות על-גבי שבב (SoCs) מהירות ומורכבות.
היכן משתלב היום ה-CTS והיכן הוא עדיין לוקה בחסר
באיור 1 ניתן לראות CTS בתזרים מסורתי של תכנון פיסי של מעגלים משולבים. באיור 2, האות L מייצגת את השהיית השעון עבור שיגור השעון ואילו האות C מייצגת את השהיית השעון עבור לכידת שעון. Gmin ו-Gmax מייצגים את ההשהיה המינימלית וההשהיה המקסימלית של נתיב הלוגיקה בין שני הדלגלגים (flip flops).
מודל אידיאלי של תזמון שעונים לוקח את מודל השעונים המושהים והופך אותו לפשוט יותר תוך התבססות על ההנחה שלנתיבי השיגור והלכידה של השעון יש את אותה השהייה (כלומר, C-L).
מודל אידיאלי של תזמון שעונים
מגבלות ה-setup*) Gmax < T :Setup – משך הזמן לפני עליית השעון, זמן ייצוב המידע)
מגבלות ה-hold*) Gmin > 0:Hold – מצב הזמן לאחר עליית השעון, השלב שבו המידע צריך להמשיך להיות יציב)
עם שעונים אידיאליים, כל מה שחשוב היא שההשהייה המרבית של נתיב הלוגיקה תהיה נמוכה יותר מזמן מחזור השעון. בעיקרון, המהות של מיטוב שעון בו-זמני היא לוותר לחלוטין על הרעיון של הטיה, להפוך את ה-CTS למוּנע על-ידי תזמון ולשלב אותו עם מיטוב הלוגיקה.
פער תזמון השעון
איור 3 מציג סיכום של פער תזמון השעון הממוצע של תיק מוצרים הכולל יותר משישים תכנוני שבבים מסחריים אמיתיים הנעים מ-180 ועד 40/45 ננומטר. בצומת של 180 ננומטר פער תזמון השעון עומד על כ-7% מכלל תקופת השעון.
בצומת ה-40/45 ננומטר הפער רחב מספיק כדי לשנות באורח מהותי את נוף התזמון של התכנון בין שלב הקדם-CTS לשלב הפוסט-CTS. הפתרון הוא להתמקד במגבלות התזמון של השעון המושהה. יש להתייחס אל נתיבי השיגור והלכידה של השעון כאל משתני מיטוב עם אותן דרגות חופש כמו משתני נתיב הלוגיקה Gmin ו-Gmax.
שלושה גורמים תורמים להשפעה זו: שינויים על השבב: שינויים על השבב, או בקיצור OCV, מתרחשים כיוון שהביצועים של טרנזיסטורים שאמורים להיות זהים יכולים להשתנות בצורה בלתי צפויות. חסימת שעון: עם הביקוש הקיים היום לאלקטרוניקה דלת הספק, מרבית תכנוני השבבים המודרניים משתמשים בחסימת שעון כדי לכבות שעונים שאינם נחוצים במחזור שעון ספציפי.
מורכבות השעון: תכנוני SoC גדולים כוללים בדרך כלל מבנים סבוכים של עצי שעונים מהרמות הגבוהות ביותר של עץ השעון ועד לרמות הנמוכות ביותר.
מיטוב בניית עץ שעונים בתהליך בו-זמני
הרעיון מאחורי מיטוב שעון בו-זמני הוא להתמקד באופן ישיר במגבלות של תזמון שעון מושהה. כפי שניתן לראות באיור 4, מיטוב שעון בו-זמני ממזג מיטוב פיזי עם CTS באותה העת.
כיוון שגם השהיות הלוגיקה וגם השהיות השעון הם פרמטרים גמישים, המהירות המרבית שבה ניתן לבצע תזמון שעון שבב כבר איננה מוגבלת על-ידי נתיב הלוגיקה האיטי ביותר של התכנון.
“שאילת זמן” כזו יכולה להיות איטרטיבית ולחזור על עצמה בכל שלבי הלוגיקה השונים. אם ניתן “לשאול” זמן משלב הלוגיקה n+1 לשלב הלוגיקה n, הרי שניתן לשאול זמן גם משלב הלוגיקה n+2 אל שלב הלוגיקה n+1, וכך הלאה. את השאילה ניתן לבצע גם קדימה וגם אחורה משלב הלוגיקה n.
“שאילת הזמן” חייבת להיפסק כאשר שרשרת שלבי הלוגיקה חוזרת על עצמה בלולאה או כאשר היא מגיעה ל-I/O של השבב.
חשוב שלא לבלבל בין מיטוב שעון בו-זמני לבין הפתרון המוכר כ”הטיה מועילה” (“useful skew”).
המטרה של מיטוב שעון בו-זמני – בניגוד להטיה המועילה – היא לבנות שעונים באורח גלובלי מהבסיס, על סמך ההאטות של שעון מושהה. הפשרה הטובה ביותר יכולה, אם כך, לערב תהליך איטרטיבי שמנסה להתקרב ככל הניתן למטרה הזו דרך שורה של צעדים שבה כל צעד נבנה באופן כזה או אחר על ידע שנרכש בצעד הקודם.
אם כך, מיטוב בניית עץ שעונים בתהליך בו-זמני משלב את המיטוב הפיסי ואת תזמון השעון בצעד איטרטיבי אחד. הוא עובד עם שעונים ועם לוגיקה בו-זמנית כדי להשיג את התוצאה הטובה ביותר שאפשר. כפי שניתן לראות באיור 5, מיטוב שעון בו-זמני מחליף הן את ה-CTS והן את המיטוב הפיסי שלאחר ה-CTS.
בין היתרונות הבולטים של מיטוב שעון בו-זמני:
• הגברת מהירות השבב או צמצום שטח השבב וההספק: בצמתים של 65 ננומטר ומטה, הגברת מהירות השעון שניתן להשיג יכולה להגיע עד 20%
• צמצום נפילת IR: זרם השיא הנשאב על-ידי רשת השעון פוחת באופן משמעותי
• הגברת הפרודוקטיביות והאצת זמן היציאה לשוק: מיטוב שעון בו-זמני מצמצם באורח משמעותי את מספר האיטרציות הנחוצות בין צוות ה-front-end לצוות ה-back-end
• האצת ההגירה לצמתי 45 ננומטר ומטה: מיטוב שעון בו-זמני מקל על האתגר ההולך וגדל של סגירת תזמון ובמקביל מקל על המעבר לצמתי תהליך מתקדמים.
לסיכום
מיטוב בניית עץ שעונים בתהליך בו-זמני מסיט את התמקדות מאיזון ההטיה, הופך את ה-CTS למונע על-ידי תזמון ומשלב אותו עם המיטוב הפיסי. מיטוב שעון בו-זמני כבר הוכיח שהוא מוביל לשיפור בביצועים, בהספק ובניצול השטח בתכנונים אמיתיים “בשטח”. מיטוב שעון בו-זמני היא יכולת שחייבת להיות היום חלק מכל מערכת תכנון IC בצמתים מתקדמים.
