디지털 회로에서 클럭(Clock)은 모든 동작의 기준이 되는 타이밍 신호입니다. 이 클럭 신호가 설계 내 모든 플립플롭(flip-flop)에 동일한 시간 간격으로 도달해야만 회로는 정상적으로 동작할 수 있습니다. 이를 보장하기 위해 레이아웃 설계에서는 클럭 트리(Clock Tree)라는 구조를 만들고, 이를 자동으로 설계해주는 Clock Tree Synthesis(CTS) 도구를 사용합니다.
이번 글에서는 클럭 트리의 개념부터, CTS가 어떤 방식으로 작동하는지, 그리고 실무 설계에서 고려해야 할 주요 포인트들을 깊이 있게 정리합니다.
1. 클럭 트리란?
클럭 트리(Clock Tree)는 하나의 클럭 소스(예: PLL, Oscillator)에서 발생한 클럭 신호를 설계 내의 모든 플립플롭에 균일하게 분배하기 위한 배선 네트워크입니다. 이 구조의 목적은 다음과 같습니다:
- 클럭 스큐(Skew) 최소화: 서로 다른 플립플롭 간 도달 시간 차이를 줄임
- 동기화 보장: 모든 데이터 전송이 동일한 클럭 기준에 따라 이루어지도록 함
- 타이밍 여유 확보: Setup/Hold 시간 충족 가능성 향상
클럭 트리 없이 배선할 경우 발생하는 문제:
- 경로별 지연 차이로 인해 타이밍 오류 발생
- 신호 레이스(Race condition), 메타스테이블 등 동작 불안정 유발
2. Clock Tree Synthesis (CTS)란?
CTS는 클럭 트리를 자동으로 생성하는 도구 및 알고리즘입니다. 디지털 레이아웃 자동화 과정에서 Placement 이후에 수행되며, 주요 목표는 다음과 같습니다:
- 클럭 지연 균일화: 플립플롭 간 클럭 도달 시간 일치
- 최소 배선 길이로 효율적인 트리 구조 설계
- 버퍼 삽입 및 분기 최적화: 드라이브 강도 보완과 Fanout 분산
CTS 주요 단계:
- 클럭 핀 추출: 클럭이 연결되는 모든 플립플롭의 입력 핀 파악
- Topology 선택: H-tree, Balanced tree, Fishbone 구조 등 선택
- Buffer insertion: 신호 품질을 위해 중간에 버퍼 자동 삽입
- Skew 분석 및 조정: STA 기반으로 최종 구조 튜닝
3. 실무 설계에서의 CTS 고려사항
자동화 도구는 CTS를 잘 수행하지만, 다음과 같은 요인들은 설계자가 수동 조정하거나 constraints를 명확히 해야 할 수 있습니다:
- 클럭 도메인이 여러 개일 경우: 서로 다른 클럭 주파수 → 도메인 분리 필요
- 저전력 설계 시: 클럭 게이팅(cell level gating) 적용 여부
- 불균형 Fanout: 특정 영역에만 FF가 몰릴 경우 균형 잡힌 구조 필요
- IR Drop 고려: 클럭 네트워크는 전류 소모가 크므로 전원망과 밀접하게 설계
또한 CTS 이후에는 클럭 경로의 DRC 검증과 LVS 일치 확인이 반드시 필요합니다.
4. CTS와 Clock Tree 최적화 전략
설계 최적화를 위해 실무에서는 다음과 같은 전략을 활용합니다:
- 탑다운 클럭 트리 구조를 채택해 중심부에서 균일 분기
- 비대칭 구조 최소화: H-tree 또는 Y-tree로 균형 유지
- Pre-CTS Routing을 활용해 경로 예측
- Placement 단계에서의 Clock pin clustering 적용
- 클럭 버퍼의 종류와 위치를 제한적으로 고정해 최종 CTS 안정성 확보
한 줄 요약
"클럭 트리는 회로 동작의 기준선을 잡아주는 정밀한 배선 구조이며, CTS는 그 설계를 자동화하는 핵심 기술이다."
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👉 [Chapter1. Digital Layout] 플로어플래닝(Floorplanning)의 개념과 초기 배치 전략
디지털 레이아웃 설계의 첫 시작점인 플로어플랜의 개념과 배치 최적화를 위한 설계 전략들을 살펴봅니다.