¿Cómo determinar teóricamente la velocidad máxima de reloj para un circuito?

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Me preguntaba qué influye en la velocidad máxima del reloj y cómo calcularlo para una implementación de circuito. Tomemos por ejemplo una CPU:

Por lo que entiendo, la velocidad del reloj debe elegirse para que una señal de entrada pueda propagarse a través de la CPU de manera que todas las puertas (y especialmente las que se encuentran en la "ruta crítica") tengan tiempo suficiente para estabilizar sus salidas. Por lo tanto, el diseño (determinar la "ruta crítica") y el retardo de propagación parecen ser importantes para determinar la velocidad máxima de reloj. Sin embargo, esto deja muchas preguntas abiertas de mi parte:

  1. ¿Cómo puedo determinar el retraso de propagación de una sola puerta?

  2. ¿El retardo de propagación depende del proceso de fabricación? (Supongo así que ... por ejemplo Supongo que 10nm de fabricación resulta en menor retraso de propagación de fabricación de 100nm)

  3. ¿Hay referencia ¿Valores para retrasos de propagación con diferentes procesos de fabricación? ¿Es realmente tan simple como lo describí o me falta información relevante? factores? (velocidad máxima = retardo * puertas en ruta crítica)

  4. ¿Qué tan grande es la varianza entre el retardo de propagación de las puertas dentro de la misma? proceso de fabricación (en el estado de la técnica de fabricación de 10 nm para ejemplo)
  5. ¿Podría determinar las puertas dentro de la ruta crítica de un digamos una CPU i7 actual dividiendo su velocidad de reloj a través de la supuesto retraso de propagación o voy a llegar a una significativa resultado equivocado?
pregunta Wolf

2 respuestas

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--- prop retraso de la puerta? ¿A qué voltaje, qué carga, qué inputSlewRate? ¿La puerta está diseñada para una carga mínima de disparo o un retraso mínimo?

--- sí, los secretos de la fab producen resultados de tiempos diferentes

--- resultados de referencia? Por supuesto. Siempre se puede ajustar el W / L en procesos anteriores. En lo más novedoso, la óptica de las máquinas de exposición puede restringir sus elecciones, con un diseño limitado por difracción.

--- ¿Qué tan simple? La fanin, el fanout, la longitud del metal, si se usa poly (HighR), el # bulk se vincula para restringir los trastornos de carga (jitter).

--- ¿Qué tan grande es la variación? En procesos anteriores, entre 1 voltios y 6 voltios VDD, los retrasos son fácilmente 100: 1. En algunos casos, desea ~~ cero cambios de carril (para la generación de reloj interno de AutoZero opamp), y las puertas / FF muy lentas están bien.

--- ¿Puedo determinar las # gates ------ lotta otros factores: fanout del bus, por ejemplo.

    
respondido por el analogsystemsrf
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Respuestas:

  1. El retraso de una "puerta única" debe estar listado en las especificaciones del fabricante. Sin embargo, hay puertas con diferente fuerza de accionamiento, y los cables de conexión tendrán una longitud diferente y, por lo tanto, una capacitancia diferente. Por lo tanto, el retraso se puede determinar solo después de que se haya realizado el diseño.

  2. Sí, en general, el retraso de la puerta es una función de los transistores. Hay un montón de informes sobre esto. Para el mismo nodo de fabricación, una fundición generalmente ofrece varias bibliotecas diferentes para el proceso sesgado, "rápido (pero con hambre de energía)", normal, lento (pero de baja potencia), etc.

  3. Los valores de referencia para retrasos de prop son solo referencias de juego. Si bien una casa de diseño puede imponer una disciplina interna para limitar la profundidad de la lógica combinatoria en sus diseños, el resultado final solo puede provenir de un análisis profundo basado en CAD del diseño completamente enrutado.

  4. ¿Qué tan grande es la variación dentro del mismo proceso moderno? ¿Alguna vez se ha preguntado por qué el proceso "10nm" de Intel se retrasa durante tres años?

  5. ¿Puedes determinar con precisión el número de puertas en i7? Probablemente no, porque los retrasos del cable dominan. ¿Y por qué necesitarías esto de todos modos?

respondido por el Ale..chenski

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