当我们做后仿时我们究竟在仿些什么（四）

 就像人类容易接受自然数，但对于负数缺乏某种直觉上的认识一样；后仿过程中经常出现的 Negative Delay 和 Negative Timing Check 也非常容易使人困惑。

Warning-[SDFCOM_NICD] Negative INTERCONNECT Delay encountered

 今天这篇首先简要分析这些 Negative 们产生的原因，然后看一下 EDA 工具是如何处理它们的。

产生 Negative Delay 的原因

        从根本上来说有两种原因。一种是测量的原因，比如输入和输出信号的观测方法不同，导致输出信号反而比输入信号在时间上提前；一种是信号在传输过程中真实发生了某种变化，导致信号跳变的提前。

        具体原因大概分下面几种。

Voltage Converting

        信号在不同电压域之间的转换可能会导致负延时产生，如下图所示。

        假设都以 50% VDD 为信号跳变的阈值，那么如果信号从高电压域输出到低电压域，50% VDD 对应的时刻反而会提前，导致负延时的出现。这种极端情况出现的前提是信号的 Transition Time 足够的大，连器件的正延时都不足以抵消电压下降带来的负延时。

Threshold Converting

        阈值转换的原因其实类似于电压转换，如果输出负载的阈值低于该器件的输入阈值，并且信号的 Transition Time 也足够的大，那么从观测者的角度，信号在输出时被观测到逻辑跳变的时刻反而提前于输入跳变的时刻。

Noise

        信号在传输过程中难免受到一些干扰，如果这种干扰来自于相邻的器件或者走线，就称之为串扰（crosstalk）。串扰可能造成信号传输的滞后或者提前。

造成提前的情形如下图所示。

        红色实线表示输入信号；绿色虚线是没有串扰的输出信号，如果在这个输出信号跳变之前有个串扰发生（黑色实线），会在输出上产生一个很短的高脉冲（绿色实线），和原本的输出信号合起来看，就相当于输出信号的跳变提前了。如果这个提前量足够大，就相当于该器件有了一个负延时。

Calculation

        还有一些负延时来自于 EDA 工具特定算法的计算过程。比如时序模型做数值计算过程中引入的误差；针对 stage delta delay 和 net delay 分别做 derating 可能引入的负值。这些理解起来不那么浅显，就不做详细的解释了。

EDA 工具如何处理 Negative Delay

        这个问题有点复杂，因为各家 EDA 公司的仿真器都有不同的算法来解决。

        从直观的角度来考虑，一个负延时总归是要结合其相邻的器件延时、线延时来解决的，用整体更大的正延时来抵消局部的负延时。

        有些仿真器干脆做简化处理，把从 SDF 中读取的负延时直接变为零延时。这种做法无可厚非，是符合 Verilog 和 SDF 标准的。

打开 VCS 仿真器的负延时特性，就是在编译时加上-negdelay选项。

        另外，PT 写出 SDF 时是默认带有 Negative Delay 和 Negative Timing Check 的，如果不想写出这些负值，需要加上如下的特定选项，这时 PT 会自动把相关负值都变成零。

pt_shell> write_sdf -no_negative_delays {timing_checks | cell_delays | net_delays} postsim.sdf

产生 Negative Timing Check 的原因

        Negative Timing Check 中的 Negative 其实和 Negative Delay 中的 Negative 不太一样，前者只是描述器件时序特性参数时规定的一种算术表达形式。

Positive Setup/Hold Timing Check

先看一个常见的 Setup Limit 和 Hold Limit 都为正值的例子。

        下图是一个标准单元 D 触发器的框图，我们接下来所讨论的时序检查都是相对于最外层框图所对应的管脚。

        仿真模型中用来检查时序的语句如下，其中的 Setup Limit 和 Hold Limit 的具体数值都是从 SDF 文件取出后反向标注到网表的。

$setuphold (posedge clock, data, 2, 3, notifyreg);

        这种语法模式下，Clock Event 的时刻规定为 0 时刻；Data Event for Setup Check要早于 Clock Event；Data Event for Hold Check 要晚于 Clock Event；符合这种一般情况的时序参数，包括 Setup Limit 和 Hold Limit 都用正值来表示。

        但是标准单元内部因为一些特殊的设计，会造成 Clock 和 Data 到达内部真正的时序器件的延时不同，这样从外部来看，时序参数会有一些不同的情况。

Negative Setup Limit

        从下面的示意图可以看出，Negative Setup Limit 的产生主要是因为标准单元内部 Clock 上的延时相对较大，从外部来看，Data Event for Setup Check 就可以晚一些来，如果晚于 Clock Event（时刻为 0），就用负值来表示（和早于的情况相反）。

$setuphold (posedge clock, data, -2, 7, notifyreg);

Negative Hold Limit

        从下面的示意图可以看出，Negative Hold Limit 的产生主要是因为标准单元内部 Data 上的延时相对较大，从外部来看，Data Event for Hold Check 就必须早一些来，如果早于 Clock Event（时刻为 0），就用负值来表示（和晚于的情况相反）。

$setuphold (posedge clock, data, 7, -2, notifyreg);

EDA 工具对于 Negative Timing Check 的支持

        当时序参数存在负值的情况时，必须要用 $setuphold 以及 $recrem 来表示；而不能用单独的 $setup，$hold，$recovery，$removal。具体语法如下。

$setuphold(reference_event, data_event, setup_limit,
hold_limit, notifier, [timestamp_cond, timecheck_cond,
delayed_reference_signal, delayed_data_signal]);

$recrem(reference_event, data_event, recovery_limit,
removal_limit, notifier, [timestamp_cond, timecheck_cond,
delayed_reference_signal, delayed_data_signal]);

        并且从 STA 工具写出 SDF 文件的时候，需要设置恰当的选项，来支持这种标注语法。例如：

pt_shell> write_sdf -version 3.0 -include {SETUPHOLD RECREM} postsim.sdf

        同样，在调用仿真器的时候，例如 VCS，需要加上 +neg_tchk 的编译选项来支持 Negative Timing Check 的动态仿真。