# Static Timing Analysis(STA)
###### tags: `Digital IC Design`

### <font color="blue"> What is STA </font>
- STA 是一個驗證 timing 是否有 violation 的方法，透過檢查電路中所有 path 的 Timing 是否符合 constraint 的要求
- DTA( Dynamic Timing Analysis ) 是另外一種驗證方法，利用測試資料對整個電路跑 simulation
> DTA 因為要對所有電路跑過一次邏輯模擬，相對速度不會比 STA 快。而且 STA 可以確保所有的 Timining path 有被 detect

### <font color="blue"> Goal of STA</font>
- 檢查 synthesis 之後 timing 是否有 violation ( Logic synthesis )
- 檢查 scan chain insertion 之後 timing 是否有 violation ( DFT )
- 檢查 Place & Route 之後 timing 是否有 violation ( APR )

### <font color="blue"> Timing Path </font>

在數位電路中有四條 Timing path：
- in2reg (Path1) : input to register
- reg2reg (Path2) : register to register
- reg2out (Path3) : register to output
- in2out (Path4) : input to output ( 盡量避免這條路徑 )

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|:---:|
|Ref : [1]|

### <font color="blue"> Term definition </font>

- setup time : 輸入訊號必須在 clock edge 之前 tsu 即穩定
- hold time : 輸入訊號必須在 clock edge 之後 thd 都保持穩定
:::success
tsu 與 thd 是製程提供的
:::
- contamination delay(tcd) : 輸入訊號改變之後 Y 開始改變的時間
- propagation delay(tpd) : 輸入訊號改變之後 Y 改變至穩定的時間

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|:---:|:---:|
| setup time & hold time | contamination delay & propagation delay|
|Ref : [2]| Ref : [3]|

- Clock-to-Q contamination delay : clock edge 到 Y 開始改變的時間
- Clock-to-Q propagation delay : clock edge 到 Y 改變至穩定的時間

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|:---:|
|Clock-to-Q contamination/propogation delay|
|Ref : [4]|

### <font color="blue"> Setup Time Criterion & Hold Time Criterion </font>

- Setup Time Criterion : (Tcycle + tskew) >= (tpcq + tpd + tsetup)
data required time( data 到達所需時間 ) : Tcycle + tskew
data arrival time( data 實際到達的時間 ) : tpcq + tpd + tsetup

> 1. Tcycle : clock period
> 2. 線路中難免都會有電阻，所以兩個 cell 收到 clock 的時間點會有所不同，我們稱彼此之間的差值為 clock skew
> 3. tpcq : DFF_1 clock to q 所需的時間

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|:---:|:---:|
|Ref : [5] |Setup Time Criterion |

- Hold Time Criterion : (tccq + tcd) >= (thold + tskew)
data required time : tccq + tcd
data arrival time : thold + tskew

> 1. tccq : DFF_2 clock to q 所需的時間

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|:---:|:---:|
|Ref : [5] | Hold Time Criterion |

### <font color="blue"> Timing Violation </font>

設計 IC 必須權衡 Performance & Power & Area，但在這些事之前必須先解決 Timing 問題，確保所有的 Timing path 都不可有 Timing violation。否則可能導致 Function Fail

Timing Violation 分成以下兩種：

- Setup Time Violation : 一個 cycle 內太多件事要做，可以設計 [pipeline](https://hackmd.io/lmsj4cLzTS-_IUq3GkHo8A) 或是調高 clock period
> Input delay( 見 [synthesis flow](https://hackmd.io/on4SdHtHSc2pa9BD8k2u4g) ) 不適當也會造成 setup time violation
- Hold Time Violation : 代表 delay 不足，可以在 violate path 加上 buffer

> hold time 若有 violation，一般在 clock tree synthesis 之後才改善

### <font color="blue"> Reference Image </font>

[1] https://www.synopsys.com/glossary/what-is-static-timing-analysis.html
[2] http://www.vlsi-expert.com/2011/04/static-timing-analysis-sta-basic-part3a.html
[3] https://www.sciencedirect.com/topics/computer-science/contamination-delay
[4] https://slideplayer.com/slide/17358331/
[5] https://medium.com/mirkat-x-blog/iclab-lab04-note-6a19d03b8d42

### <font color="blue"> 延伸閱讀 --- 為何 flip-flop 需在 clock edge 的前後保留一段準備時間 </font>

https://www.edn.com/understanding-the-basics-of-setup-and-hold-time/