Design and Algorithm for Clock Gating and Flip-flop Co-optimization

Abstract

본 논문에서는 표준 셀에서부터 배치 단계에 이르는 다양한 설계단에에서 칩의 동적 전력을 최적화 기법을 소개한다. 이 연구는 우선 데이터 구동형 (즉, 토글링 기반) 클럭 게이팅이 종래 클럭 게이팅 기법들에서 결코 다루어지지 않았던 플립 플 롭의 합성과 밀접하게 통합될 수 있는 방법을 연구한다. 우리의 관측의 핵심은 플립 플롭 셀의 일부 내부 부품이 클럭 게이팅 인에이블 신호를 생성 하기 위해 재사용 될 수 있다는 것이다. 이를 바탕으로 eXOR-FF 라고 불리는 새롭게 최적화된 플립 플롭 배선 구조를 제안합니다. 이 구조에서는 매 클럭 주기마다 내부 로직을 재사용 하여 클럭 게이팅을 통해 플립 플롭을 활성화할지 또는 비활성화할지 결정합니다. 모든 쌍의 플립 플롭 및 토글릴 감지 로직에서의 영역을 절약함에 따라서 누설 및 동적 전력의 절전 효과를 달성합니다. 그런 다음, 두 가지고유한 장점을 제공하는 배치/타이밍 인식 클럭 게이팅 탐색에 대한 포괄적인 방법론을 제안합니다. 해당 방 법론은 eXOR-FF 의 이점을 극대화하고, 전력 소비 및 타이밍 영향의 분해에 대한 정밀 분석을 수행하고 틀럭 게이팅 참색의 핵심 엔진을 비용기능으로 변환하는데 가장 적합합니다. ISCAS89, ITC89, ITC99 및 IWLS 2005의 벤치 마크 회로를 사용 한 실험을 통해 제안 된 방법이 이전의 데이터 구동 클록 게이팅 방식과 비교하여 총 전력을 5.6 % 및 면적으로 5.3 % 줄일 수 있음을 보여 주었다.

In this paper, we introduce dynamic power optimization techniques applicable for various design stage from standard cell to placement stage. This work firstly investigates the problem of how designing data-driven (i.e., toggling based) clock gating can be closely integrated with the synthesis of flip-flops, which has never been addressed in the prior clock gating works. Our key observation is that some internal part of a flip-flop cell can be reused to generate its clock gating enable signal. Based on this, we propose a newly optimized flip-flop wiring structure, called eXOR-FF, in which an internal logic can be reused for every clock cycle to decide if the flip-flop is to be activated or inactivated through clock gating, thereby achieving area saving (thus, leakage as well as dynamic power saving) on every pair of flip-flop and its toggling detection logic. Then, we propose a comprehensive methodology of placement/timingaware clock gating exploration that provides two unique strengths: best suited for maximally exploiting the benefit of eXOR-FFs and precise analyses on the decomposition of power consumptions and timing impact, and translating them into cost functions in core engine of clock gating exploration. Through experiments with benchmark circuits in ISCAS89, ITC89, ITC99 and IWLS 2005, it is shown that our proposed method is able to reduce the total power by 5.6% and total cell area by 5.3% compared with the previous data-driven clock gating method in [1].