JPH096463A - 階層的クロック分配システム及び方法 - Google Patents
階層的クロック分配システム及び方法Info
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- JPH096463A JPH096463A JP8145513A JP14551396A JPH096463A JP H096463 A JPH096463 A JP H096463A JP 8145513 A JP8145513 A JP 8145513A JP 14551396 A JP14551396 A JP 14551396A JP H096463 A JPH096463 A JP H096463A
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Abstract
ック遅延をイネーブルし、スキューを最小にすること。 【解決手段】 マイクロエレクトロニック回路(62)
のための階層的クロック分配システム(60)を作る方
法は、クロック・ドライバ(64)とサブブロック(7
2a、72b、72c)の間のそれぞれのクロック・ス
キューを決定することを含む。遅延バッファ(B)は、
同じ物理的サイズ及び異なる遅延をもつ遅延バッファの
所定のセットから選択され、クロック・ドライバと分配
システムとの間に、等しいクロック・スキューを与える
が、遅延線と、遅延線に接続された或る数の装荷エレメ
ントを含む。装荷エレメントの数は、個々のサブブロッ
クに対して要求されるクロック遅延を提供するように選
択される。
Description
ロニック集積回路の技術分野に一般に関連し、特に、集
積回路のブロックの回路に対するクロックのスキューを
最善に均一化(equalize)する階層的クロック分配シス
テム及び方法に関する。
ecific Integrated Circuit)(ASIC)などの大規
模マイクロエレクトロニック(microelectronic)集積
回路は、一般に、階層的構成でサブブロックを含むこと
ができる複数の回路ブロック又はモジュールを含む。回
路は、入力クロック・ドライバを通じて与えられ且つ回
路の多種のブロック及びブロックに含まれない他のデバ
イスへの相互接続配線を経て分配されるクロック・パル
スによって駆動される。
・パルスは、各クロックされる回路エレメントに同時に
到着しなければならない。しかしながら、異なるブロッ
クにクロック・パルスを伝える配線の長さは、一般に異
なる。電気的信号がワイヤを伝搬するのに必要な時間は
ワイヤの長さに比例するので、クロック・パルスは、ブ
ロックに異なる時間に到達する。
バッファが用いられ得、ブロックのクロックされる回路
エレメントへのクロック・パルスの到達の差を作る。マ
イクロエレクトロニック集積回路の任意の2つのクロッ
クされる回路エレメントへのクロック・パルス到達時間
の間の位相又はタイミングの差をスキューと呼ぶ。
のオペレーションの同期をレストアする手段を提供する
ことが必要である。この機能は、個々のブロックにおけ
る異なる遅延の値を補償するために、異なる遅延をもつ
回路に遅延バッファを挿入することによって提供可能で
ある。
は、B.アウジャ(Ahuja)に対して1994年4月2
6日に発行された「マイクロプロセッサにおけるスキュ
ーのないクロック信号分配ネットワーク(SKEW-FREE CL
OCK SIGNAL DISTRIBUTION NETWORK IN A MICROPROCESSO
R)」と題されたアメリカ合衆国特許第5307381
号に開示されている。このシステムを示す簡略化した図
面が図1に示されている。
ク)が複数の遅延バッファ10、12、14に与えら
れ、それらは、ライン16、18、20を通じてそれぞ
れ回路ブロック22、24、26に接続されている。バ
ッファ10、12、14は、ライン16、18、20の
異なる長さを補償してクロック・パルスCLOCKがブ
ロック22、24、26に同時に到着するように、異な
る長さの時間だけクロック・パルスを遅延する。
コンセプトの延長が、S.ネルソン(Nelson)その他に
1993年11月2日に発行された「スキュー補償され
たクロック分配システム(SKEW-COMPENSATED CLOCK DIS
TRIBUTION SYSTEM)」と題されたアメリカ合衆国特許第
5258660号に開示されている。このシステムの簡
略化した図面が図2に示されている。
30、32、34、36、38を備え、各々が、集合的
に参照符号Bで示された入力遅延バッファ及び複数の出
力遅延バッファを含む。示されるように、各ファンアウ
ト回路は3つの出力をもつが、実際の出力の数とは関係
ない。
Bは、ファンアウト回路32、34、36の入力遅延バ
ッファBに接続され、それらは集合的に9つの出力を作
る。ファンアウト32、34、36の各出力は別のファ
ンアウト回路の入力に接続され、合計27の出力を提供
する。階層的チェーン(hierarchial chain)は所望さ
れるレベルまで継続され得る。1つのファンアウト回路
38のみが、ファンアウト回路32の出力バッファBに
接続されているように示されているが、これは例示を簡
略化するためである。
力バッファは図1を参照して上記で説明した様式でマイ
クロエレクトロニック集積回路の個々の回路ブロックに
接続される。従って、クロック入力からブロックへのス
キューは均一化(equalize)される。
図2の装置の固定の遅延バッファを用いて正確に均一化
することは困難である。なぜなら、何れかの不正確性
が、チェーンの下流のファンアウト回路に渡されるから
である。そのため、バッファBは、図3に示すようなプ
ログラマブル遅延エレメントとして実現される。
の入力に接続された出力をもつ直列の固定の遅延エレメ
ント42、44、46、48のチェーンを含む。各遅延
エレメントの出力における遅延は、それ自身が作り出す
遅延に上流の遅延エレメントの積み重ねられた遅延を足
したものと等しい。遅延エレメント42の出力は最小の
遅延値をもち、遅延エレメント48の出力は最大の遅延
値をもつ。
ク・ループ又は要求されるスキューをもつ基準クロック
・パルスと各バッファBのマルチプレクサ50からの出
力パルスCLOCK’とを比較する他のタイプの位相コ
ンパレータを備える。コンパレータは、次に、一意的な
選択信号(SELECT)を生成し、各バッファBのマ
ルチプレクサ50に与え、どのマルチプレクサ入力(個
々の遅延エレメント42、44、46又は48の出力)
を出力パルスCLOCK’としてマルチプレクサを通過
させるかを指定する。選択信号の値は、パルスCLOC
K’の位相又はスキューを基準パルスの位相又はスキュ
ーと一致させるのに必要な遅延に対応する。
造をもつ集積回路におけるスキューを均一化するのに有
効であるが、プログラマブル遅延バッファ及び位相比較
回路が必要であるという点で不利であり、それによって
集積回路の複雑性及びコストが増加する。
最小化するために固定の遅延バッファを用い、正確なク
ロック遅延の補償を可能にする、マイクロエレクトロニ
ック集積回路のための階層的クロック分配システム及び
方法を提供することである。
ク回路は、複数の回路ブロック及びサブブロック、クロ
ック・ドライバ、クロック・ドライバをサブブロックに
直接に接続する電気的相互接続、及び電気的相互接続と
サブブロックの回路との間にそれぞれに提供される平衡
クロックツリー分配(balanced clock-tree distributi
on)システムを含む。
を提供する方法は、クロック・ドライバとサブブロック
内のクロックされる回路エレメントとの間のそれぞれの
クロック遅延を決定することを含む。遅延バッファは、
同じ物理的サイズ及び異なる遅延をもつ固定の遅延バッ
ファの所定のセットから選択され、遅延バッファは、ク
ロック・ドライバと分配システムとの間にそれぞれに等
しいクロック遅延を提供するために選択される。
された複数の装荷エレメント(loading element)を含
み、複数の装荷エレメントは、個々のサブブロックに対
して要求されるクロック遅延を提供するために選択され
る。
は、以下の詳細な説明及び図面から当業者には明白とな
る。図面において、同じ参照番号は同様の部品を示す。
ムが図4に示され、参照番号60で示されている。シス
テム60は、マイクロエレクトロニック集積回路62の
一部として実現され、それは、典型的に、外部ソースか
らクロック・パルスCLOCK(クロック)を受信す
る。しかしながら、明示していないが、回路62自身の
一部としてクロック・パルス発生器を提供することは本
発明の範囲内である。
ドライバ64に与えられ、クロック・ドライバは、クロ
ック・パルスを、電気的相互接続配線66を通してマイ
クロエレクトロニック回路モジュール又はブロック6
8、70、72に与える。ブロック72はサブブロック
72a、72b、72cを備える。
ク遅延バッファBに接続され、かつ各サブブロック72
a、72b、72cのクロック遅延ブロックBに接続さ
れている。配線66とサブブロック72a、72b、7
2cとの間でブロック72においてバッファBが与えら
れていないことに留意されたい。
1つのサブブロック・レベルとからなる2レベルの階層
のみが示されているが、本発明はそれに限定されるもの
ではない。任意の数のブロック/サブブロック・レベル
を含む階層的構造が、本発明に従って提供され得る。し
かしながら、遅延バッファBは、典型的に、第1及び第
2の階層的ブロック・レベルにおいて提供される。
時間遅延は、ドライバ64とクロックされる回路エレメ
ント又は各ブロックのセルCとの間のクロック遅延を均
一化するために選択される。ブロック68、70内又は
サブブロック72a、72b、72c内のスキューの補
償は、平衡クロック・ツリー分配システム74、76、
78、80、82によってそれぞれに与えられる。
ロック又はサブブロックの回路に依存する。例示を簡略
化するために、各平衡クロック・ツリー分配システム7
4、76、78、80、82は、クロックされる回路エ
レメント又はセルC、及びローカル・バッファ又はバッ
ファBとセルCとの間に接続されたドライバD及びEを
備えるものとして示されている。
知られており、その詳細は特には本発明の主題ではな
い。この分野の基本的な論文は、1992年9月のニュ
ー・ヨークのロチェスターの年次IEEE国際ASIC
会議及び展示の会報(Proceedings of the Annual IEEE
International ASIC Conference and Exhibit)の第2
6ないし29ページのA.アーダル(Erdal)その他の
「高性能ASICSのためのクロック・ツリー分配スキ
ームの実現(AN IMPLEMENTATION OF A CLOCK-TREE DIST
RIBUTION SCHEME FOR HIGH-PERFORMANCE ASICS)」と題
された論文に呈示されている。
ーカル・バッファDなしでセルCの配置の後にボトムア
ップ(bottom-up)様式で元のクロック・ネット(net)
をバッファされたサブクロック・ネットに分けるクロッ
ク分割(partition)を用いることによって行われる。
クロックされるセルCの最初のグループ化(クロック・
ピンをもつセル)は、セルCの広がり(spread)及び近
所のクロックされるセルCのうちの距離に従って得られ
る。次に、クロックされるセルCは、最適の結果を得る
ためにグループ中で交換される。
ximum absolute loading difference)及びグループの
装荷の標準偏差の両方を最小化することである。グルー
プ化の後、適切な数の平衡セル(示さず)が、各グルー
プの装荷の平衡をとるために付加される。
てグループの範囲及び広がりの平衡(バランス)をとる
ために計算される。ローカル・バッファD及びEの位置
は、クロックされるセルCの間のスキューを最小化する
ために、グループの見積もられた送信(routing)パタ
ーンを基にして、最適の平衡の中心として計算される。
最後に、すべての平衡セル及びバッファD及びEが設計
に挿入され、計算された座標(coordinate)を基にして
レイアウトに自動的に配置される。
装置を用いて得ることが困難であった、固定の遅延バッ
ファBを用いての有効なクロック・スキュー補償を可能
にする。本発明は、1つのサブブロック・レベルにおい
てのみ遅延バッファBを提供し、それによって、蓄積さ
れる階層的遅延の不正確性を除き、平衡クロック・ツリ
ー分配システムを用いてブロック・レベルのスキュー補
償を行うことによって、この目的を達成する。
回路62における配置を容易にするために同じ物理的サ
イズをもつ。各バッファBは、同じ数の既知の遅延を与
えるロジック・エレメントを備える。ここでは、その数
は4つとして示されている。図5に示すように、ロジッ
ク・エレメントはインバータ90、92、94、96で
あが、本発明はそれに限定されるものではない。明示し
ていないが、インバータを、例えば、NORゲートやワ
イヤ遅延線に置換することもできる。
又はチェーンに接続され、クロック・パルスCLOC
K’は個々のインバータ90、92、94、96によっ
て与えられる遅延の合計だけ遅延される。例えば、各イ
ンバータが0.25nsの遅延を与えると、インバータ
90、92、94、96のみによって与えられる合計遅
延は1.0nsである。
を用いてインバータ90、92、94、96の出力を可
変的に装荷することにより、1.0nsから、例えば、
3.0nsの範囲の遅延を提供することができる。各装
荷エレメント98は、実施例では、ゲートが個々のイン
バータの出力に接続されたPMOS電界効果トランジス
タを98a及び/又はNMOS電界効果トランジスタ9
8bを備える。各トランジスタ98aのソース及びドレ
インは第1の一定電圧源VDDに接続され、各トランジ
スタ98bのソース及びドレインは、グラウンドとして
示されている第2の一定電圧源VDDに接続される。
タ90、92、94、96の遅延が、例えば、0.1n
sだけ増加するようにする。0ないし5の数の遅延エレ
メント98が、各インバータ90、92、94、96の
出力に接続され得、合計遅延は、(4つのインバータ)
×(5つの装荷エレメント/インバータ)×(0.1n
sの遅延/装荷エレメント)=2.0nsだけ増加され
得る。従って、各遅延バッファBが提供し得る合計最大
遅延は、1.0ns+2.0ns=3.0nsであり、
遅延は、1.0nsから3.0nsまで、1増分が0.
1nsである20の増分で変化させることができる。
レメント98は第1のインバータ90の出力において最
初に提供される。より多くの装荷エレメント98が必要
な場合、それらはインバータ92、94、96の出力に
おいて順番に提供される。
遅延をそれぞれ提供するための20の異なる数の装荷エ
レメント98をもつ点でのみ互いに異なる20遅延バッ
ファの回路ライブラリ・セット98を提供することによ
って、容易にされる。
ロック・ドライバ64と各クロックされるセルCとの間
の遅延の値が決定される。これは、最初に最小遅延値
(1.0ns)を各遅延バッファBに割り当て、クロッ
クされるセルCの入力ピンにおける遅延を決定すること
によって、達成される。タイミング分析は、例えば、カ
リフォルニア州ミルピタスのLSIロジック・コーポレ
ーションからのコンカレントMDE(登録商標)デザイ
ン・システム(C−MDE(登録商標)デザイン・シス
テム)の一部として入手可能なタイミング・アナライザ
・リリース(Timing Analyzer Release)2.2を用い
て好適に行われる。
決定された後、すべてのクロックされるセルCの入力に
おける遅延を均一化するためにバッファBが作る必要の
ある遅延値が計算され、20の可能なバッファ構成のう
ちの対応する遅延値をもつ1つの構成がライブラリ・セ
ットから選択される。バッファBは、次に、要求される
遅延値を基に、設計に挿入され、レイアウトに自動的に
配置される。
は、本発明の範囲から離れることなく多種の変更をする
ことができる。
エレメント及び装荷エレメントの数や、それらが与える
特定の遅延は例示であり、特定の応用に用いるために任
意の様式に変更可能である。
来のシステムを示す簡略化された図である。
ロック装置にされるかを示す簡略化された図である。
を示す図である。
を含むマイクロエレクトロニック集積回路を示す図であ
る。
を示す電気的概略図である。
Claims (18)
- 【請求項1】 複数の回路ブロック及びサブブロックを
含むマイクロエレクトロニック回路のための階層的クロ
ック分配システムにおいて、 クロック・ドライバと、 サブブロックにそれぞれ提供される遅延バッファと、 前記クロック・ドライバを前記遅延バッファに直接に接
続する電気的相互接続と、 前記遅延バッファと前記サブブロックの回路との間にそ
れぞれに提供される平衡クロック・ツリー分配システム
と、を備え、 前記遅延バッファは、前記クロック・ドライバから前記
分配システムにそれぞれに等しいクロック・スキューを
提供するように構成されたシステム。 - 【請求項2】 請求項1に記載のシステムにおいて、 前記遅延バッファは同じ物理的サイズをもつ、 システム。
- 【請求項3】 請求項2に記載のシステムにおいて、 前記遅延バッファは、前記クロック・スキューをそれぞ
れに均一化するために装荷される同一の遅延線を備え
る、 システム。 - 【請求項4】 請求項3に記載のシステムにおいて、 前記遅延線は、前記クロック・スキューをそれぞれに均
一化するある数の装荷エレメントによって装荷される、 システム。 - 【請求項5】 請求項4に記載のシステムにおいて、 前記遅延線はロジック・エレメントのストリングを備
え、 前記装荷エレメントは前記ロジック・エレメントの出力
に接続される、 システム。 - 【請求項6】 請求項5に記載のシステムにおいて、 前記ロジック・エレメントはインバータからなる、 システム。
- 【請求項7】 請求項5に記載のシステムにおいて、 前記装荷エレメントは、ゲートが前記ロジック・エレメ
ントの出力に接続され且つソース及びドレインが一定電
圧に接続される電界効果トランジスタからなる、 システム。 - 【請求項8】 請求項5に記載のシステムにおいて、 各装荷エレメントは、 ゲートが前記ロジック・エレメントのうちの1つのもの
の出力に接続され且つソース及びドレインが第1の一定
電圧に接続されるPMOS電界効果トランジスタと、 ゲートが前記ロジック・エレメントのうちの前記1つの
ものの出力に接続され且つソース及びドレインが、前記
第1の一定電圧に対して負である第2の一定電圧に接続
されるNMOS電界効果トランジスタと、を備える、 システム。 - 【請求項9】 請求項5に記載のシステムにおいて、 各ロジック・エレメントはその出力に接続された数nの
装荷エレメントをもち、Nは所定の最大値であり、nは
0≦n≦Nの範囲にある、 システム。 - 【請求項10】 マイクロエレクトロニック回路のため
のクロック遅延バッファにおいて、 遅延線と、 所定のクロック遅延を提供するために選択された数の、
前記遅延線に接続された、装荷エレメントと、 を備えるバッファ。 - 【請求項11】 請求項10に記載のバッファにおい
て、 前記遅延線はロジック・エレメントのストリングを備
え、 前記装荷エレメントは前記ロジック・エレメントの出力
に接続される、 バッファ。 - 【請求項12】 請求項11に記載のバッファにおい
て、 前記ロジック・エレメントはインバータからなる、 バッファ。 - 【請求項13】 請求項11に記載のバッファにおい
て、 前記装荷エレメントは、ゲートが前記ロジック・エレメ
ントの出力に接続され且つソース及びドレインが一定電
圧に接続される電界効果トランジスタからなる、 バッファ。 - 【請求項14】 請求項11に記載のバッファにおい
て、 各装荷エレメントは、 ゲートが前記ロジック・エレメントのうちの1つのもの
の出力に接続され且つソース及びドレインが第1の一定
電圧に接続されるPMOS電界効果トランジスタと、 ゲートが前記ロジック・エレメントのうちの前記1つの
ものの出力に接続され且つソース及びドレインが、前記
第1の一定電圧に対して負である第2の一定電圧に接続
されるNMOS電界効果トランジスタと、を備える、 バッファ。 - 【請求項15】 請求項11に記載のバッファにおい
て、 各ロジック・エレメントはその出力に接続された数nの
装荷エレメントをもち、Nは所定の最大値であり、nは
0≦n≦Nの範囲にある、 バッファ。 - 【請求項16】 マイクロエレクトロニック回路のため
の階層的クロック分配システムを作る方法において、 前記マイクロエレクトロニック回路は複数の回路ブロッ
ク及びサブブロックと、 クロック・ドライバと、 前記クロック・ドライバを前記サブブロックに直接に接
続する電気的相互接続と、 前記電気的相互接続と前記サブブロックの回路との間に
それぞれに提供される平衡クロック・ツリー分配システ
ムと、を備え、本方法は、 (a) 前記クロック・ドライバと前記サブブロックと
の間のクロック・スキューをそれぞれに決定するステッ
プと、 (b) 同じ物理的サイズ及び異なる遅延をもつ遅延バ
ッファの所定のセットから遅延バッファを選択するステ
ップであって、選択された遅延バッファは、前記クロッ
ク・ドライバと前記分配システムとの間にそれぞれに等
しいクロック・スキューを提供するように選択されるも
のである、ステップと、 (c) 前記選択された遅延バッファを、前記電気的相
互接続と前記分配システムとの間にそれぞれに、サブブ
ロックにおいて挿入するステップと、を備える方法。 - 【請求項17】 請求項16に記載の方法において、 前記セットの前記遅延バッファは、それぞれに前記異な
る遅延を提供するために異なって装荷される同一の遅延
線からなり、 前記のステップ(b)は、それぞれに、前記選択された
遅延バッファを前記装荷に従って選択するステップを備
える、 方法。 - 【請求項18】 請求項16に記載の方法において、 前記のステップ(a)は、すべてが最小値のクロック・
スキューを提供する遅延バッファをもちいてのマイクロ
エレクトロニック回路のタイミング分析を行うステップ
を備える、 方法。
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