后端和前端一样在IC设计中扮演着非常重要的角色，甚至可以说入门的前端设计工程师对timing的理解远不如一个后端设计工程师，因此想要更好的理解电路的timing在后端P&R之后或者说在大规模的设计中后端如何实现clock对DFF的驱动，就需要学习和了解CTS，而这些对于一个优秀的前端设计人员来说，也是一个必要掌握的技能。
今天我们就来学习一下clock tree synthesis （CTS），本篇文章学习自知乎博主，原文链接为：数字后端基础技能之：CTS（上篇） - 知乎 (zhihu.com)
构思了很久应该怎样介绍CTS，最终决定分为几篇文章来一步一步介绍整个流程，尽管如此，由于在大型项目中CTS是一个比较复杂的工作，因此在本文之外可能还要有很多东西需要后端设计工程师去关心，但是我仍然希望对于初学者，通过本专栏接下来的几篇文章，能够对CTS的基本流程和做法有一个大致的思路，从而避免拿到一个design后陷入无从下手的被动。
言归正传，在P&R整个流程中，有两个对于design的PPA（power performance area）起决定性的步骤：Floorplan和CTS，尽管如此，在实际项目中，很多人可能工作数年也没有机会做一次比较全面的CTS，一方面原因在于，P&R工具尤其是现在的ICC2和innovus对于相对简单的clock tree都能很好的处理，另一方面的原因是，对于大多数无法接触TOP的工程师来说，harden block内部的clock结构大概率是比较简单的，因此就导致一些同学在做过几个项目后面对复杂的clock仍然无从下手。
针对这个现象，本文希望根据自己的经验把CTS的基本思路和做法介绍给大家，如果大家以后遇到复杂的clock时发现这里的内容对实际工作多有裨益，本文也不胜荣幸。
clock tree synthesis，顾名思义，就是对design的时钟树进行综合，主要的目的是让每个clock都能够在尽量短的时间内传达到他们驱动的所有DFF（寄存器），对于CTS，我们有三个指标希望能够尽量做到最好。
每个clock到达其所驱动的sink(DFF)的latency都尽量的短；
每个clock之内，以及有时序关系的clock之间的skew尽量小；
每个clock的common path尽量的长；
对于大多数P&R工具，CTS的flow可以总结为以下形式：
上图中可能有些名字还不太清楚他的具体含义，但是这些都会在后面的介绍中一一提及，在这里也没有将大部分单词翻译成中文，因此希望大家记住这些名词，方便在读英文的user guide时少一些障碍。
CTS策略
这是CTS的第一步，虽然在流程中只是简单的几个字，但是针对复杂的clock，这里可能需要花费大量的时间分析clock的结构，找出潜在可能出现的问题和瓶颈，并针对我们上述提出的三个指标，决定如何去综合时钟树，这一步如此重要又非常容易被忽略，以至于有些同学在遇到复杂的clock出现问题时无从分析，遑论如何改进，下面我将通过一个例子来说明，CTS策略到底是什么？
假设某芯片的clock结构可以简化为如下形式：
其中fucntion clock从两个PLL和两个IO （一个FCLK1, FCLK2）进来，test clock从两个IO（TCLK1, TCLK2）进来，从图中可以看出，在分频电路之后，进入A和D的clock不与其他模块共享。
与此同时，我们假设芯片的floorplan可以表示为如下形式（注意clock source 和模块位置与clock结构对应关系）
如果模块间的数据流关系简述为如下形式：
Block B <—> Macro 1
Block C <—> Macro 2
Macro 1 <—> Macro 2
Block A/D 为独立模块
考虑到上述时钟结构，floorplan和时许关系，我们该如何决定CTS策略呢？
在考虑策略之前，我们先回忆一下CTS的三个目标：latency尽量短；skew尽量小；common path尽量长；
先从最简单的开始：鉴于Block A/D为独立模块，他们不与其他模块产生时序关系，同时从clock结构图可以看到进入A/D的clock在选择之后没有与其他模块有交集。因此，我们只需要把A和D的clock尽量做短即可。
我们也可以把一切都交给EDA工具去做，但是这样做的结果不能保证得到我们想要的结果，最好的办法是把进入到A,D两个Block的clock选择器以及其他clock分频逻辑固定在这两个block附近（下图中的紫色区域），这样不仅能够使clock line尽量以最短的距离到达Block，同时也能够尽可能地增加common path的长度。
接下来考虑Block B/C和Macro1、2，鉴于他们之间的时许关系，我们希望他们之间的skew尽量的短，同时common path要尽量的长，在floorplan上我们可以看到他们被拜访成对称的形式，因此，最简单直接的办法就是将所有与这几个相关的逻辑都固定在两个Macro上方的正中间（假设其clock port在黄色标识的部分），如下图中红色方框所示：
到目前为止我们确定了需要preplace的逻辑以及其放置的区域，接下来我们需要考虑如何实现我们的设想，其中首要的任务就是定义CTS的sdc。
对于CTS工具来说，要进行时钟树综合，有一个必备的前提条件就是clock的定义，而后端设计者是可以根据自己的策略自己调整clock的定义的，让我们再会议一下clock的结构图。
针对上述结构，有两种常用的定义Clock的方法（时间单位ps）
1：直接从所有的clock的源头定义，此方法基本可以从func/test的sdc 中直接复制clock的定义：
creat_clock-period xxx -name PLL_CLK [get_pins PLL1/CLK] ;
2:采用分段CTS的方法，因为大部分clock结构，从选择器开始都比较简单，因此我们可以从选择器的输出端定义一系列的clock并对有时许关系的部分进行balance；之后再从各个clock源头定义并在时钟树综合的时候在选择器的输入停止，此方法的clock定义可以大致分为以下两个部分。
第一段：选择器输出端—> 各个Block
create_clock-period xxx -name MUXCLK1 [get_pins MUX1/Y]
create_clock-period xxx -name MUXCLK1 [get_pins MUX2/Y]
........
第二段：clock source —> 各个选择器
creat_clock-period xxx -name PLL_CLK [get_pins PLL1/CLK] ;
........
至于如何使工具在选择器停止，我们将在接下来的文章中继续讨论，同时我们将会把上述思路和策略通过真是的脚本和命令反映出来，希望大家继续关注。
另外，在本文中设计的design通过上述几幅图可以了解到相对详细的时钟结构，但是在实际设计中我们如何事先得知clock的结构时序关系呢？一般来说对于流程完善的大公司，绘制详细的始终结构是前端设计的工作之一，但是在实际项目中，面对的大部分design的clock结构图可能是十分简单甚至完全没有的情况，这时就需要后端工程师多一些耐心去分析design，并积极与前端的constraint设计者沟通，从而实现对design的时钟结构快速把握。
至此，CTS的策略基本构建完成，在接下来的文章中，我们将继续详细讨论这些策略的实现方法以及如何查看debug clock的结果。
