超大规模集成电路的时钟偏斜及其补偿技术
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（ 国防科技大学 计 算机 学院 ，长 沙 ４ ０ ７ １ ０ ３）
摘
要 ： 微处理器急剧增长的性能要 求对 时钟分布网络 设计提出 了严峻的挑战 ，４ｎ ５ ｍ以下的后纳米电路
阶段 ，日 钟偏移调整 、片内外时钟相位的同步、低功耗时钟分布网络设计是高速时钟分布网络设 寸
计面 临的关键问题。本文介绍了有 关Ｂ 钟偏斜的背景知识 ，总结了近年来微处理器时钟偏斜补偿 寸
技术的最新进展 ，并对其可能的发展方向进行了展望。
关键 词 ： 时钟分配网络 ；Ｂ 钟树 ；时钟偏斜 ；时钟偏斜调度 寸
中 图 分类 号 ：Ｔ ４ Ｎ７ 文 献 标 识 码 ：Ｂ 文章 编 号 ：１ ０—０ ３ （ ０ １ ３ 下 ） ０１ 一Ｏ ９ １４２１）（ ０ Ｉ ３ ５
的 正 确操 作 至 关 重 要 ，所 以时 钟 信 号 以及 时 钟 分
１ 从时 钟 源到 寄存器 连 线长度 的不 同 ； ） ２ ）时钟 分 配 网络 内 的任 一 动 态 ｂ ｆ ｒ ｕｆ 延迟 的 ｅ
差异 ；
３ 被 动 的连线 参数 ，例 如 线 电阻 ，介 电常数 ， ） 过孔 ／ 通孔 电 阻 ，线 电容 和线 尺寸 的差异 ； ４ 主 动 的 器件 参数 ，例 如 域值 电压 ，沟道 迁 ） 移率 的差异 会 影响动 态 ｂ ｆ ｒ ｕｆ 的延迟 。 ｅ 在 两 个顺 序 邻 接通 路 之 间 的数 据通 路 称 为 局 部 数 据 通 路 ，这 是 与 全 局 数 据 通 路 相 对 而 言 的 。 全 局数 据 通 路 包括 一 条 和 多条 局 部 数 据 通 路 ，如
越 大 。最 后 ，对 时 钟信 号延 迟 控 制 的失 误 会 限 制
整 个 系统 的性 能也 可能会 发生 数据 穿透 。
１ 时钟偏斜 的理 论背景
１１ 时钟偏 斜 的定 义 ．
两个 顺 序 邻 接 寄 存 器 时 钟 信 号 到 达 的 时 间是 时 钟偏 斜 ， 。如 果 时 钟信 号 Ｃ 和 ｃ 是 完全 同 ，
图 １ 带 多个 局 部 数 据 通 路 的 全 局 数 据 通 路
２ 时钟偏斜补偿 技术
时 钟 偏 斜 补 偿 的 基 本 思 想 是 ：比较 整 个分 布
时 钟 网络 中不 同路 径 的时 钟 延 时 ，如 果 该 路径 太 快或 太慢 ，那 么就 用 一个静 态 ／ 态可变 的 延时单 动 元 来调 整该 延 时 。根 据 不 同 的划 分 方 法 ，时钟 偏
际 的迭代 周期 会非常 长 。
个 集 中 式 的控 制 器 或 偏 斜 补偿 电路 ，依靠 反 馈
２２ 时钟偏 斜补偿 电路技术 ．
２２１闭环偏斜补偿 ＿＿ 闭环控 制 利用 反 馈 回路 对 时 钟控 制 点进 行 采 样 ，反 馈 信 号 与 参 考信 号 的 对 比结 果 用于 调 整 前 馈通 路 的延 时 ，从而达 到延 时平 衡的 目的 。
第３ 卷 ３
第３ 期
２１— （ ） 【１］ ０ １ ３ 下 １５
２１ 偏斜补 偿 的结构 ．
２１１集 中式偏斜补偿技术 ．．
如 图 ２所 示 ，集 中式 偏斜 补偿 网络 通 常 需 要
一
网络 固 有 的布 线 问题 。但 是 该 方 法 实现 的延 时 补 偿 精 度 有 限 ，更 重 要 的 是 为 了 实现 全 局 收 敛 ，实
斜 补偿 可分 为 以下 几类 ： 从 拓 扑 结构 分 ，时 钟 偏 斜 调 整 模 式 可 分 为 集 中式 偏 斜 补 偿 和 分 布 式 偏 斜 补 偿 ；从 电路 实 现 方 法 分 可 分 为 开 环 式 补 偿 和 闭 环反 馈 式补 偿 ；从 补
这里 和 ， 从 时 钟 源分 别 到 寄存 器 尺 和 是
Ｄｏｉ ３ ６ ／ ．ｓ ｎ． ０ ９ １ ４． ０ １ ３ 下 ） ４ ：１ ９ ９ Ｊ ｉｓ １ ０ －０ ２ １ ． （ ０． ３ ．０
０ 引 言
在数 字 系统 中 ，时 钟 信 号 被 定 义 为 系 统 中数 据 传输 的 时 间参 考 。 因 为时 钟 信 号 的特 性 对 系统
图 １ 示。 所
配 网络 受到 了广 泛 的关 注 。在 整个 系统 中 ，时 钟 信号 典 型 地 带 有 最 大 的 负载 扇 出 ，具 有 最 长 的 连
线距 离 ，在所 有 的数 据 和 控 制 信 号 线 中具 有 最 高
的操 作 频 率 。 因 为数 字 信 号 以 时 钟 信 号 为 参 照对 象 ，所 以时钟 信 号 的波 形必 须 特别 的干 净 和 陡峭 。 此外 ，时 钟信 号 还特 别 容 易受到 工 艺尺 寸 的影 响 ， 因为 随 着 线 宽 越 来 小 ，全 局 互 连 线 的 电 阻 会越 来
步 的 ，那么 时钟 偏斜 为零 。时钟 偏斜 的定 义如 下 ：
定 义 １：对 于 给 定 的 两 个 顺 序 邻 接 寄 存 器 ，Ｒ ，
和 ，和 一 个 等 电位 的 时钟 分配 网络 ，两 个 寄 存 器 之 间的时钟 偏斜 被定 义为 ：
＝
尺 时钟延 迟 。 ，
一
（） １
Biblioteka Baidu、 Ｉ
勺
超大规模集成 电路的时钟偏斜及其补偿技术
Ｔｈｅ ｃｕｒ ｅｎｔ ｒ ｅａｒ ｏｃｋ ｄｉ ｒ ｂｕｔ ｏｎ ｎ ｗ ｏｒ ｒ ｅｓ ｃｈ ｏｆ ｃｌ ｓｔ ｉ ｉ ｅｔ ｋＳ
罗
钢 ，曾献君
Ｌ Ｏ Ｇａ ｇ Ｚ ＮＧ Ｘｉｎ ｕ Ｕ ｎ ． Ｅ ａ ￣ｎ
因为 各 种 原 因不 同的 时 钟 信 号 通 路 可 能 会 有 不 同的延迟 。 引起时 钟偏斜 有下 列原 因 …：
收 稿 日 期 ：２ １ －１一１ ００ ｌ ８
偿对 象分 ，可分 为静 态补偿 与动 态补 偿 。
基 金 项 目 ：国 家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目 （０ ７ ０ ６ ６６６ １） 作者简介：罗钢 （９６一），男，重庆人 ，博士研究生 ，研究方向为微处理器时钟分布及偏斜补偿及高速互联技 术。 １７
摘
要 ： 微处理器急剧增长的性能要 求对 时钟分布网络 设计提出 了严峻的挑战 ，４ｎ ５ ｍ以下的后纳米电路
阶段 ，日 钟偏移调整 、片内外时钟相位的同步、低功耗时钟分布网络设计是高速时钟分布网络设 寸
计面 临的关键问题。本文介绍了有 关Ｂ 钟偏斜的背景知识 ，总结了近年来微处理器时钟偏斜补偿 寸
技术的最新进展 ，并对其可能的发展方向进行了展望。
关键 词 ： 时钟分配网络 ；Ｂ 钟树 ；时钟偏斜 ；时钟偏斜调度 寸
中 图 分类 号 ：Ｔ ４ Ｎ７ 文 献 标 识 码 ：Ｂ 文章 编 号 ：１ ０—０ ３ （ ０ １ ３ 下 ） ０１ 一Ｏ ９ １４２１）（ ０ Ｉ ３ ５
的 正 确操 作 至 关 重 要 ，所 以时 钟 信 号 以及 时 钟 分
１ 从时 钟 源到 寄存器 连 线长度 的不 同 ； ） ２ ）时钟 分 配 网络 内 的任 一 动 态 ｂ ｆ ｒ ｕｆ 延迟 的 ｅ
差异 ；
３ 被 动 的连线 参数 ，例 如 线 电阻 ，介 电常数 ， ） 过孔 ／ 通孔 电 阻 ，线 电容 和线 尺寸 的差异 ； ４ 主 动 的 器件 参数 ，例 如 域值 电压 ，沟道 迁 ） 移率 的差异 会 影响动 态 ｂ ｆ ｒ ｕｆ 的延迟 。 ｅ 在 两 个顺 序 邻 接通 路 之 间 的数 据通 路 称 为 局 部 数 据 通 路 ，这 是 与 全 局 数 据 通 路 相 对 而 言 的 。 全 局数 据 通 路 包括 一 条 和 多条 局 部 数 据 通 路 ，如
越 大 。最 后 ，对 时 钟信 号延 迟 控 制 的失 误 会 限 制
整 个 系统 的性 能也 可能会 发生 数据 穿透 。
１ 时钟偏斜 的理 论背景
１１ 时钟偏 斜 的定 义 ．
两个 顺 序 邻 接 寄 存 器 时 钟 信 号 到 达 的 时 间是 时 钟偏 斜 ， 。如 果 时 钟信 号 Ｃ 和 ｃ 是 完全 同 ，
图 １ 带 多个 局 部 数 据 通 路 的 全 局 数 据 通 路
２ 时钟偏斜补偿 技术
时 钟 偏 斜 补 偿 的 基 本 思 想 是 ：比较 整 个分 布
时 钟 网络 中不 同路 径 的时 钟 延 时 ，如 果 该 路径 太 快或 太慢 ，那 么就 用 一个静 态 ／ 态可变 的 延时单 动 元 来调 整该 延 时 。根 据 不 同 的划 分 方 法 ，时钟 偏
际 的迭代 周期 会非常 长 。
个 集 中 式 的控 制 器 或 偏 斜 补偿 电路 ，依靠 反 馈
２２ 时钟偏 斜补偿 电路技术 ．
２２１闭环偏斜补偿 ＿＿ 闭环控 制 利用 反 馈 回路 对 时 钟控 制 点进 行 采 样 ，反 馈 信 号 与 参 考信 号 的 对 比结 果 用于 调 整 前 馈通 路 的延 时 ，从而达 到延 时平 衡的 目的 。
第３ 卷 ３
第３ 期
２１— （ ） 【１］ ０ １ ３ 下 １５
２１ 偏斜补 偿 的结构 ．
２１１集 中式偏斜补偿技术 ．．
如 图 ２所 示 ，集 中式 偏斜 补偿 网络 通 常 需 要
一
网络 固 有 的布 线 问题 。但 是 该 方 法 实现 的延 时 补 偿 精 度 有 限 ，更 重 要 的 是 为 了 实现 全 局 收 敛 ，实
斜 补偿 可分 为 以下 几类 ： 从 拓 扑 结构 分 ，时 钟 偏 斜 调 整 模 式 可 分 为 集 中式 偏 斜 补 偿 和 分 布 式 偏 斜 补 偿 ；从 电路 实 现 方 法 分 可 分 为 开 环 式 补 偿 和 闭 环反 馈 式补 偿 ；从 补
这里 和 ， 从 时 钟 源分 别 到 寄存 器 尺 和 是
Ｄｏｉ ３ ６ ／ ．ｓ ｎ． ０ ９ １ ４． ０ １ ３ 下 ） ４ ：１ ９ ９ Ｊ ｉｓ １ ０ －０ ２ １ ． （ ０． ３ ．０
０ 引 言
在数 字 系统 中 ，时 钟 信 号 被 定 义 为 系 统 中数 据 传输 的 时 间参 考 。 因 为时 钟 信 号 的特 性 对 系统
图 １ 示。 所
配 网络 受到 了广 泛 的关 注 。在 整个 系统 中 ，时 钟 信号 典 型 地 带 有 最 大 的 负载 扇 出 ，具 有 最 长 的 连
线距 离 ，在所 有 的数 据 和 控 制 信 号 线 中具 有 最 高
的操 作 频 率 。 因 为数 字 信 号 以 时 钟 信 号 为 参 照对 象 ，所 以时钟 信 号 的波 形必 须 特别 的干 净 和 陡峭 。 此外 ，时 钟信 号 还特 别 容 易受到 工 艺尺 寸 的影 响 ， 因为 随 着 线 宽 越 来 小 ，全 局 互 连 线 的 电 阻 会越 来
步 的 ，那么 时钟 偏斜 为零 。时钟 偏斜 的定 义如 下 ：
定 义 １：对 于 给 定 的 两 个 顺 序 邻 接 寄 存 器 ，Ｒ ，
和 ，和 一 个 等 电位 的 时钟 分配 网络 ，两 个 寄 存 器 之 间的时钟 偏斜 被定 义为 ：
＝
尺 时钟延 迟 。 ，
一
（） １
Biblioteka Baidu、 Ｉ
勺
超大规模集成 电路的时钟偏斜及其补偿技术
Ｔｈｅ ｃｕｒ ｅｎｔ ｒ ｅａｒ ｏｃｋ ｄｉ ｒ ｂｕｔ ｏｎ ｎ ｗ ｏｒ ｒ ｅｓ ｃｈ ｏｆ ｃｌ ｓｔ ｉ ｉ ｅｔ ｋＳ
罗
钢 ，曾献君
Ｌ Ｏ Ｇａ ｇ Ｚ ＮＧ Ｘｉｎ ｕ Ｕ ｎ ． Ｅ ａ ￣ｎ
因为 各 种 原 因不 同的 时 钟 信 号 通 路 可 能 会 有 不 同的延迟 。 引起时 钟偏斜 有下 列原 因 …：
收 稿 日 期 ：２ １ －１一１ ００ ｌ ８
偿对 象分 ，可分 为静 态补偿 与动 态补 偿 。
基 金 项 目 ：国 家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目 （０ ７ ０ ６ ６６６ １） 作者简介：罗钢 （９６一），男，重庆人 ，博士研究生 ，研究方向为微处理器时钟分布及偏斜补偿及高速互联技 术。 １７