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【DC】buffer详解

news 2025/5/19 6:30:36

最近在跑综合，发现DC在一些扇出（fanout）较大的信号后插了不少buffer，对此我有些疑惑，为何插入buffer就能增强驱动能力？所以收集了一些资料，记录一下相关知识点。

什么是buffer？

buffer是一种常见的器件缓冲器，这种器件不仅在时钟树上，在数据路径上也有着大量的应用。

buffer的结构一般是偶数个反相器的级联或者是类似结构的电路，buffer的一个特点是其输出的信号和输入的信号是相同的，不会改变逻辑值。如下面的真值表所示：

buffer的功能

既然buffer不会改变信号的逻辑值，那么其作用到底是什么呢？事实上buffer的功能主要有以下两点：

提高驱动能力。
优化时序。

这里的驱动能力指的是：前级电路的输出信号可以在规定时间内被后级电路有效响应。

如果电路的负载过大，将导致其输出电流不够，输出信号上下边沿不够陡峭。

而在插入buffer后，由于buffer的驱动能力比较强，最终输出的信号会是上面那种。这种信号的边沿陡峭程度可由转换时间（transition time）进行定量描述，信号的转换时间越短，代表着该单元内部电路的驱动能力越强，延时就越短。

buffer的应用

由于buffer的种种特性，在芯片中的时钟树以及各种路径上有着非常重要的应用。

buffer在时钟树上的应用

在芯片中，时钟源输出的时钟信号需要驱动大量的寄存器，单独依靠时钟源的信号驱动能力明显是不够支撑其如此之大的扇出。因此，正确的做法是添加大量时钟buffer，由这些buffer一级一级串行级联下去组成时钟树，每一个分结点就化分成一级新的分支，如下图所示：

在组成了时钟树后，时钟直接驱动buffer，由buffer驱动后面的寄存器，这就相当于通过插入buffer减少了时钟树各个分支的负载数量，因此各个时钟树分支的驱动能力就会比较强，从而使得时钟的的传播延迟和时钟的转换时间变得比较小。下图展示了一种时钟树的例子，该时钟树分为3节结构：

第一节是从时钟的根节点（clock root）后的一长串缓冲器链组成；
第二节是时钟网格（global clock mesh），这种时钟网格最显著的特点是使用多个缓冲器进行驱动；
第三节是连接各个触发器的局部时钟树。

由于时钟的根节点到达每个寄存器的时钟端的路径不同，因此到达的时间也会不同，即存在时钟偏移（clock skew）。根据建立时间和保持时间裕量的计算方式：

Tsetupslack=Tclk+Tskew-Tco-Tcomb-Tsu>=0
Tholdslack=Tco+Tcomb-Tskew-Thd>=0

从上面的公式可以看出：

对于建立时间来说，时钟偏移越大越有利满足建立时间（即时钟到达目标触发器的时间与源触发器之间的时间差越大越好）；
对于保持时间来说，时钟偏移越少，越有利于满足保持时间（即时钟到达目标触发器的时间与源触发器之间的时间差越小越好）。

因此，我们可以利用buffer来对时钟偏移加以控制，使其处于一个能够满足建立时间和保持时间的合理值。比如在下图的例子中，由于组合逻辑的延时过大，而导致了建立时间违例，因此我们可以通过增加第二个目标触发器的时钟路径延时，使得时钟偏移变大，从而避免时序违例：

大家观察上图可以发现，在图中的第二个触发器的时钟端是通过加buffer来增加延迟的，这似乎是与我们之前说的加入buffer可以增加驱动能力以及优化时序相矛盾，实际上，buffer本身便有延时，如果插入buffer前的路径上的驱动能力已经足够强，信号的转换时间也比较小，那么再插入buffer也起不到优化的作用，反而会带来更多的延时，上图中就是利用buffer的这种特性来增大时钟偏移的。

buffer在数据路径的应用

在芯片内部，触发器之间通过导线连接，通常来说导线的延迟是和其长度的平方成正比，如果某条路径很长的话，那么导线本身的负载电容就不容忽视，会导致很大的延时。

这种情况下，可以等间距插入N个buffer，原本的路径分为N+1段，其中每一段buffer驱动的负载电容较少，在给定相同的电压时，由于电路的负载电容减少，自然对电容的充电速度变得更快了，这就使得信号的上升沿变得更加陡峭；同理，当电容放电时，由于负载电容变少，因此放电的速度也会变快，这也就使得信号的下降沿也变得更加陡峭。

因此由于信号的转换时间变小，路径的延迟也随着变小。所以即使buffer本身也会带来延时，但是插buffer减少的延时大于buffer自身带来的延时，仍然可以实现对时序的优化。

问题汇总

问题1：在时序路径中插入buffer到底是减缓了数据传输呢还是加快了呢？（在时钟树综合过程中，会在clock root pin和cells’ clk pin之间插入buffer产生延时，以求最小的skew；然而，我们又知道在时序路径中“断点插buffer”，目的是加快该路径上的信号传输速度。）
- 解答：如果这个地方有transition 比较大，插buff会改善transition，加入buffer本身所带来的delay远远小于插入这个buffer所减小的delay，所以delay 变小；如果插之前之后都不存在transition问题，加入buffer本身所带来的delay远远大于插入这个buffer所减小的delay的时候，那么就是增加delay。
问题2：数学计算说明transition较大，插入buffer如何减小延时？