Clock mesh optimization

Abstract

Malhas de relógio são arquiteturas de rede de relógio adequadas para distribuir confiavelmente o sinal de relógio na presença de variações de processo e ambientais. Tal propriedade se torna muito importante nas tecnologias submicrônicas onde variações têm um papel importante. A confiabilidade da malha de relógio é devido aos caminhos redundantes conectando o sinal de relógio até os receptores de forma que variações afetando um caminho possam ser compensadas pelos outros caminhos. A confiabilidade vem ao custo de mais consumo de potência e fiação. Desta forma fica claro o balanceamento necessário entre distribuir confiavelmente o sinal de relógio (mais redundância) e o consumo de potência e aumento de fiação. O clock skew é definido como a diferença entre os tempos de chegada do sinal de clock nos seus receptores. Quanto maior é o clock skew, mais lento o circuito precisa operar. Além de diminuir a velocidade do circuito, um valor alto de clock skew aumenta a probabilidade de o circuito não funcionar devido às variações. Neste trabalho, nos focamos no problema de clock skew. Inicialmente extraímos informações úteis de como o comprimento da fiação e a capacitância variam a medida que o tamanho da malha varia. São apresentadas fórmulas analíticas que encontram o tamanho ótimo para ambos objetivos e é apresentado um estudo de como o clock skew varia a medida que nos afastamos do tamanho ótimo da malha de relógio. Um método para a redução de clock skew através do deslocamento dos buffers também é apresentado. Tal melhoria no clock skew não afeta o consumo de potência já que o tamanho dos buffers e a malha não são alterados.

Clock meshes are a suitable clock network architecture for reliably distributing the clock signal under process and environmental variations. This property becomes very important in the deep sub-micron technology where variations play a main role. The clock mesh reliability is due to redundant paths connecting clock buffers to clock sinks, so that variations affecting one path can be compensated by other paths. This comes at cost of more power consumption and wiring resources. Therefore it is clear the tradeoff between reliably distributing the clock signal (more redundancy) and the power and resource consumption. The clock skew is defined as the difference in the arrival time of clock signal at clock sinks. The higher is the clock skew, the slower is the circuit. Besides slowing down the circuit operation, a high clock skew increases the probability of circuit malfunction due to variations. In this work we focus on the clock skew problem. We first extract some useful information on how the clock wirelength and capacitance change as the mesh size changes. We present analytical formulas to find the optimum mesh size for both goals and study how the clock skew varies as we move further away from the optimum mesh size. We also present a method for reducing the clock mesh skew by sliding buffers from the position where they are traditionally placed. This improvement comes at no increasing cost of power consumption since the buffer size and the mesh capacitance are not changed.