STA | 4. Latch应用总结！附Time Borrowing，Lockup概念解析

前几篇STA文章谈到，同步数字电路中的Path主流还是用寄存器，但是锁存器(Latch)相关的Path也不容忽视，它既能用作数据存储单元，又能作为时钟控制单元。这一篇就讲讲Latch的功能，相关的Timing Path如何分析，其中也会涉及到time borrowing, lockup, clock gating check等概念。

Latch的电路结构如下图：

Latch电路结构

当 E = 1 时，latch直传（transparent），D端信号的变化会即时反应在Q端；

当 E = 0 时，latch关断（closed），Q端保持关断瞬间D端的值。

设计中使用Latch的好处是，相比寄存器的面积更小，功耗更低，可以从后级电路进行time borrowing，更容易满足setup time，然而坏处是STA分析不会那么直接，下面我们就看看引入了Latch的Timing Path如何分析。

在数字设计中，经常会碰到如下图所示的Path，两个寄存器（UFF0和UFF1）之间存在一个锁存器（ULAT1），这种情况工具会怎么分析path呢？不同STA工具的行为会有稍微的区别，我们先以PT传统的分析方法来解释。

加入Latch后的电路图

Time Borrowing示意图

根据Latch的特点，在CLKN为高电平时，ULAT1是transparent，ULAT1/D端的数据能即时地反映在ULAT1/Q端。上图中的情况是，UFF0->ULAT1/D的Path Delay使得ULAT1/D数据在CLKN的上升沿之后才到达，需要从后一级ULAT1->UFF1中借了1.81ns，使得原本违例的path满足了要求，而ULAT1->UFF1的timing path即使借出去1.81ns，也能够满足要求，具体的timing report如下：

UFF0->ULAT1的Timing Path

ULAT1->UFF1的Timing Path

这里需要指出的一点是，在计算setup timing的时候，在UFF0->ULAT1中，ULAT1的clock path是按照early/min模式计算的，而在ULAT1->UFF1中，ULAT1的clock path是按照late/max模式计算的，有一部分公共路径的CRPR是不会被排除掉的，所以现在的PT引入了一种新的latch timing分析的模式，它把latch当成一个组合逻辑，在分析UFF0->UFF1的path时可以穿过ULAT1，这里只提示一下可以通过下面这个选型来打开，从而可以减少悲观度：

set_app_var timing_enable_through_paths true

这种模式下，Latch的D Pin只能作为Endpoint，不能作为Startpoint，所以在report_timing的时候也要注意是用-to还是-through的区别：

report_timing -to $latch_d_pinreport_timing -through $latch_d_pin

需要注意的是，这种through模式只是针对setup，对hold分析还是保持不变。下面接着看一个用latch来解决跨时钟域hold timing问题的应用。

为了芯片测试的需要，我们会用Scan Chain的方式将绝大部分的寄存器串链起来，在不影响功能的情况下，以简单的方式测试电路中寄存器的良率。但是存在一种情况，前后相邻的两级寄存器如果时钟不一样（跨时钟域），如下图所示：

加入Lockup latch之前的电路图

由于CLK1和CLK2为不同的时钟域，很难保证他们同步，假如CLK2相比CLK1有一段不确定的延迟Tskew，可大可小，那么很有可能FF1/CLK1->FF1/Q->FF2/SI这段延时Tdata会比Tskew小，造成hold timing违例。

加入Lockup latch之前的hold timing时序图

上一节提到Latch有time borrowing的功效，假如在两级寄存器之间加入一个latch，结构如下图所示：

加入Lockup latch之后的电路图

CLK1低电平的时候，Lockup Latch是transparent，CLK1高电平的时候Lockup Latch一直保持上一拍的数据，这样即使CLK2有延迟，只要不超过CLK1高电平持续时间，就能保证hold timing没有问题。

加入Lockup latch之后的hold timing时序图

在DC中可以很方便的实现这一功能，具体会在RTL2GDS微信公 众号的综合/DFT教程中详细介绍。

Latch的另一个应用是作为门控时钟单元(Clock Gating Cell)，通过避免部分寄存器不必要的时钟翻转，可以极大地节省电路的动态功耗。实际应用中，为了避免出现毛刺，会在Latch后面添加一个与门组成一个ICG（Integrated Clock Gating）。

ICG电路结构

由于ICG是用在clock path上，STA工具默认会要求做CLKI到EN端的clock gating check，目的是保证时钟使能的时序满足要求，所以会存在REG2ICG的path。因为ICG的clock会比REG的clock delay要短，所以天然存在一个skew对setup不利，特别是假如有多级的ICG级联，更加加重了这种情况。在设计上，需要保证REG2ICG的数据路径不能太复杂，否则物理实现会存在困难。

在CTS之前，由于clock tree是ideal的，考虑不到这种skew的不利影响，所以往往需要通过SDC命令"set_clock_gating_check"人为地设置，让综合或者布局工具提前认识到这一点并提前优化。

需要注意的是，不仅仅ICG需要clock gating check，如果clock path上存在与门、或门等逻辑也需要进行clock gating check。