靜態時序分析（Static Timing Analysis）基礎及應用（下）

前言

      在製程進入深次微米世代之後，晶片（IC）設計的高複雜度及系統單晶片（SOC）設計方式興起。此一趨勢使得如何確保IC品質成?榻袢賬?猩杓拼右等嗽輩壞貌幻媼僦?卮罌翁狻＞蔡?斃蚍治觶?tatic Timing Analysis簡稱STA）經由完整的分析方式判斷IC是否能夠在使用者指定的時序下正常工作，對確保IC品質之課題，提供一個不錯的解決方案。在「靜態時序分析（Static Timing Analysis）基礎及應用（上）」一文中筆者以簡單敘述及圖例說明的方式，對STA的基礎概念做了詳盡的說明。接下來，就讓我們藉由實際設計範例來?解STA在設計流程的應用。

設計範例說明

設計範例為一個32bit x 32bit的Pipeline乘法器，其架構如圖一所示。Pipeline共分3級，電路之輸出輸入端皆有暫存器儲存運算數值。

 

圖一

依據Cell-based設計的方式，首先以硬體描述語言設計圖一之電路。接下來實作此電路，進行合成（Synthesis）及布局與繞線（P&R）。並在實作的各步驟後進行靜態時序分析，確認時序規格是否滿足。實作及驗證所用到的軟體及設計資料庫如下所示：

• 合成：Synopsys^TM Design Compiler
• 布局與繞線：Synopsys^TM Astro
•  設計資料庫：Artisan^TM 0.18um Cell Library

在接下來的文章中，各位將會看到靜態時序分析在實作過程中的應用。藉由實際產生的數據?解在不同實做步驟上時序分析的差異。

時序限制（Timing Constraint）

要作靜態時序分析，首先要有時序限制。此設計範例的時序限制如下所述。（à后?檣瓚ㄊ斃螄拗浦?DC指令）

1          時脈規格（Clock Specification）

1.1         ?期：6ns à  create_clock -name "MY_CLOCK" -period 6 -waveform {0 3} [get_ports {clk}]

1.2         Source Latency：1ns à  set_clock_latency -source 1 [get_clocks {MY_CLOCK}]

1.3         Network Latency：1ns à  set_clock_latency 1 [get_clocks {MY_CLOCK}]

1.4         Skew：0.5ns à  set_clock_uncertainty 0.5 [get_clocks {MY_CLOCK}]

2          周邊狀況（Boundary Condition）

2.1         輸入延遲（Input Delay）：1.2ns à  set allin_except_CLK [remove_from_collection [all_inputs] [get_ports clk] ]
  set_input_delay $I_DELAY -clock MY_CLOCK $allin_except_CLK

2.2         輸出延遲（Output Delay）：1.2ns à  set_output_delay $O_DELAY -clock MY_CLOCK [all_outputs]

2.3         輸出負載（Output Loading）：0.5pF à  set_load $O_LOAD 0.5 [all_outputs]

3          時序例外（Timing Exception）：無

合成軟體之時序報告

當Synopsys Design Compiler將電路合成完畢后，執行下面指令可以?生時序報告：

report_timing -path full -delay max -max_paths 10 -input_pins \
-nets -transition_time -capacitance > timing_syn.txt

時序報告會儲存在timing_syn.txt此檔案中。在檔案的開頭不遠處，會列出此電路最有可能不符合時序規格的路徑（Critical Path）。例如：

  Startpoint: S2/B2_reg_0_

                (rising edge-triggered flip-flop clocked by MY_CLOCK)

  Endpoint: S3/P3_reg_47_

              (rising edge-triggered flip-flop clocked by MY_CLOCK)

  Path Group: MY_CLOCK

  Path Type: max

在這個例子中，Critical Path的起點Flip-Flop是第2個Pipeline Stage內的B2暫存器的第0個位元，終點Flip-Flop則是第3個Pipeline Stage內的P3暫存器的第47個位元（圖二）。

在Critical Path報告的下方會有Wire Load Model的資訊，此範例使用的是UMC18_Conservative Model。這個Model會以較悲觀的方式預估連線的延遲時間（Interconnect Delay）。

 

圖二

繼續往下檢視檔案，你會看到Critical Path的詳細時序資訊。例如：

Point                                  Fanout       Cap     Trans      Incr       Path

-------------------------------------------------------------------------------

clock MY_CLOCK (rise edge)                                           0.00      0.00

clock network delay (ideal)                                           2.00      2.00

S2/B2_reg_0_/CK (DFFHQX4)                                   0.00      0.00      2.00r

S2/B2_reg_0_/Q (DFFHQX4)                                     0.16     0.30      2.30r

S2/n36 (net)                               1         0.03               0.00      2.30r

S2/U10/A (BUFX20)                                             0.16     0.00      2.30r

S2/U10/Y (BUFX20)                                             0.23     0.21      2.51r

...

...

S3/add_106/U0_5_47/A (XNOR2X2)                              0.18      0.00      7.74f

S3/add_106/U0_5_47/Y (XNOR2X2)                              0.12      0.22      7.96f

S3/add_106/SUM[47] (net)                 1         0.01                0.00      7.96f

S3/add_106/SUM[47] (stage3_DW01_add_54_0)                            0.00      7.96f

S3/N94 (net)                                         0.01                 0.00      7.96f

S3/P3_reg_47_/D (DFFTRXL)                                    0.12      0.00       7.96f

data arrival time                                                                    7.96

 

clock MY_CLOCK (rise edge)                                             6.00       6.00

clock network delay (ideal)                                            2.00       8.00

clock uncertainty                                                       -0.50       7.50

S3/P3_reg_47_/CK (DFFTRXL)                                             0.00       7.50r

library setup time                                                      -0.28       7.22

data required time                                                                   7.22

--------------------------------------------------------------------------------

data required time                                                                   7.22

data arrival time                                                                   -7.96

--------------------------------------------------------------------------------

slack (VIOLATED)                                                                     -0.74

 

先由左往右看，第一個直行Point標示出路徑中的節點，節點可以是元件的輸出入端點，也可以是元件間的連線（Net）。第二個直行Fanout標示節點推動的元件個數。第三個直行Cap標示出節點推動的負載。第四個直行Trans標示出節點上信號的轉換時間（Transition Time）。第五個直行Incr標示出節點造成的延遲時間。最後一個直行Path則是自路徑起點到到此節點?櫓溝淖苧映偈奔洹

再來我們由上往下檢視Critical Path的時序資訊。

clock network delay (ideal)                                            2.00       2.00

此處的2ns的clock network delay是由我們給定的時序限制計算而來的，因?槲頤歉??爍?ns的source latency及network latency，加起來共有2ns。

S2/B2_reg_0_/CK (DFFHQX4)                                   0.00       0.00       2.00 r

此行表示Critical Path的起點??2 Instance下的B2_reg_0_這個instance的CK端點。由於有2ns的network delay，所以時脈信號到達此節點的時間??ns（圖三）。至於0ns的Transition Time則是因?槲頤敲揮性謔甭齬娓裰卸ㄒ迤涫?擔?銑扇硤宓幕峒偕枋且桓?ns Transition Time的理想波形。最右邊的r是因?檎飧?lip-Flop是正緣觸發，所以以r表示。如果是f就是負緣觸發。

  

圖三

S2/B2_reg_0_/Q (DFFHQX4)                                    0.16       0.30       2.30 r

接著信號自起點開始向終點傳遞，這一行表示路徑起點的Flip-Flop從CK端點到Q端點的時間延遲??.3ns，且在此節點的Transition Time??.16ns。所以信號到達此節點的時間??+0.3=2.3ns（圖四）。最右邊顯示r是因??端點從0變化到1時的延遲時間比1變化到0時的延遲時間還長，如果狀況相反的話，最右邊會標示f。以上數值是由元件庫（Cell Library）?的時序表（Timing Table）查出來的，其計算的方式請參照「靜態時序分析（Static Timing Analysis）基礎及應用（上）」。

S2/n36 (net)                               1         0.03                0.00       2.30 r

S2/U10/A (BUFX20)                                              0.16      0.00       2.30 r

這兩行和上一行最右邊的Path欄位都一樣，這是因?櫧涫鄧?鞘峭?桓黿詰悖??孕藕諾醬鍤奔湟謊?Ｗ邢傅畝琳噠饈焙蚩贍芑嵊懈鮃晌剩?lip-Flop的Q輸出端和後面Buffer的輸入端A信號到達時間應該有一個連線延遲（Interconnect Delay）的差距吧？想法上是沒錯，但因??esign Compiler這個合成器將連線延遲的時間合?愕皆??映伲?ell Dealy）的時間內計算，所以從時序報告中看不到延遲時間的資訊。也就是說，如果Point欄是net的話，各位只需去檢視Fanout和Cap欄位即可。S2/n36這個net只有推動一個Buffer，其Fanout??。負載則是Buffer的輸入負載和預估連線負載的總和，其值??.03pF。

 

圖四