clock gating | ODC-based Clock Gating

在当前数字电路实现中，clock gating 是节省动态功耗最有效且成本最低的办法，所以一直以来业界都在想方设法进一步去挖掘，期望用这种低成本办法进一步节省动态功耗，如XOR clock gating. 关于clock gating 驴曾码过三篇短文《clock gating | 从ICG cell 在 library 中的定义说起》、《clock gating | Gating 的插入与验证》、《clock gating | clock gating 的timing check》。

前几天接触了一个新概念，ODC-based Clock gating, 研读了一些文章，有了个大致的概念，码篇短文总结一下。下图是综合工具插clock gating 时，逻辑的映射，即将寄存器D-pin mux 的选择信号用于Clock gating 的enable 信号，此处最关键的就是enable 信号的抽取，传统做法是从RTL 语句中直接抽取。

所谓的ODC 即是：Observability Don’t Care 的首字母缩写，以下图为例，当A=0 时，不论B 如何变化，"AND 门"的输出都是0，此时B 点即为Observability Don’t Care 点，所以如果可以将B 点源头的寄存器gate 掉，那后续逻辑的无效翻转都会被消除，从而节省了功耗。

以下图为例，在传统综合流程中，为了保持逻辑一致性，如果在RTL 中只有寄存器dout 的描述中有 "if (vld_d2)", 那工具只会对dout 插gating, d_1, d_2 因为缺少enable 信号不会被gating, 但是d_1, d_2 都是Observability Don’t Care 点，如果可以gating 就能省更多功耗。

要想让工具对这些ODC 点插gating 就需要在RTL 中把对应的enable 加上，如果在写代码时无法确定这些ODC 点，可以借助Joules 对RTL 进行分析。Joules 的 ODC-based Logic Gating 流程大致如下：

对于如下一段代码，I_bus, T_bus, S_bus, Q_bus 因为没有enable 信号，工具无法对其插入clock gating，但因为最后选择逻辑的存在，I_bus, T_bus, S_bus, Q_bus 都是ODC 点。

在Joules 中用命令report_odc 和report_logic_gating 可以报出代码中所有的ODC 点，及可用的『enable 信号』。

根据Joules 的report 可将代码修改为如下形式，如此，在综合时工具就可以插入更多的clock gating.

在数字电路中 clock gating 从设计开始就需要考虑，在某文中读到设计实现中要考虑的一些点，甚是认同，搬运至此：

• Identify registers with low data activity, additional CGs would cost area.
• Grouping registers and building an XOR tree, introduces a single CG for the group.
• To guarantee power reduction, method should be based on placement information.
• Timing and congestion are affected.
• Activity driven clock gating: 1) Clock gating should be done if it helps improve overall power, based on switching activity; 2) There can exist more than one scenarios that need to be optimized; 3) Clock gating should not be done for high switching activity registers.
• Placement-driven optimisation: Cloning/Merging of clock gates.
• Observability Don’t Care: 1) Registers whose outputs are not observable, during a clock cycle, should be isolated; 2) Ability that can ‘observe’ a logic path beyond a clock-to-clock boundary; 3) De-Assert a data path if its forward stage is gated; 4) De-Assert forward stage, if the current stage is gated; 5) Apart from sequential power savings, combinational logic cones can also be gated.
• Leakage/Static Power Impact: All clock gating techniques should comprehend total power.

驴说IC