淺談power signoff之什么是IR drop

什么是IR Drop

芯片中的電源（VDD 和 VSS）通過metal rail和metal stripe均勻分布，稱為電源傳輸網(wǎng)絡(luò)（Power Delivery Network，PDN）或power grid。PDN 中使用的每個金屬層都具有一定的電阻率。當(dāng)電流流過供電網(wǎng)絡(luò)時，一部分施加的電壓將根據(jù)歐姆定律在 PDN 中下降。電壓降的量將是 V = I.R，稱為 IR ?drop。

圖 1 顯示了電源網(wǎng)絡(luò)中的 IR ?drop。任何金屬網(wǎng)絡(luò)都可以假設(shè)為小 的R 和 C 的組合。

圖1 金屬網(wǎng)絡(luò)中的IR drop

如果金屬線的電阻率很高或通過電源網(wǎng)絡(luò)的電流量很大，則電力輸送網(wǎng)絡(luò)中可能會下降大量電壓，這將導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)電池可用的電壓低于實際電壓施加的電壓。

如果在電源端口施加 V1 電壓并且電流 I 在具有總電阻 R 的特定網(wǎng)絡(luò)中跟隨，則標(biāo)準(zhǔn)電池另一端的可用電壓 (V2) 將為：

V2 = V1 – I.R

由于供電網(wǎng)絡(luò)中的 IR 下降，即使在電源端口中應(yīng)用了足夠的電壓，標(biāo)準(zhǔn)單元或macro有時也無法獲得運行它們所需的最低工作電壓。在到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)電壓之前，電力輸送網(wǎng)絡(luò)中的電壓降稱為 IR ?drop。

這種下降可能會由于標(biāo)準(zhǔn)單元延遲的增加而導(dǎo)致芯片性能不佳，并可能由于建立/保持時序違規(guī)而導(dǎo)致芯片功能故障。為避免此問題，必須進(jìn)行 IR 分析，并在設(shè)計中考慮其對時序分析的影響。

靜態(tài)IR drop和動態(tài)IR drop

靜態(tài) IR 壓降是在沒有輸入切換時供電網(wǎng)絡(luò) (PDN) 中的電壓降，這意味著電路處于靜態(tài)階段。而動態(tài) IR 壓降是輸入連續(xù)切換時供電網(wǎng)絡(luò)中的電壓降，這意味著電路處于功能狀態(tài)。動態(tài) IR drop 將取決于instance的切換速率。

圖2 靜態(tài)和動態(tài)IR drop示意圖

當(dāng)輸入連續(xù)切換時，更多電流將流入實例和 PDN。所以PDN中會有更多的IR drop。因此，一般動態(tài) IR 壓降大于靜態(tài) IR 壓降。

引起IR drop的原因

引起IR drop主要由如下原因。

1.?????? pg plan較差，power stripe寬度太小，間距太大；

2.?????? 供電網(wǎng)絡(luò)中via（通孔）數(shù)量不足；

3.?????? decap cells 數(shù)量不足；

4.?????? high local cell density（局部實例density過高）；

5.?????? high local switching ratio（局部翻轉(zhuǎn)率過高）；

6.?????? 較大浪涌電流；

7.?????? 電壓源數(shù)量不足；

8.?????? Pg plan使用的metal具有較大RC；

IR drop引起的后果

標(biāo)準(zhǔn)單元的延遲取決于單元的實際輸入電壓，如果電壓減少，則單元的延遲會增加。單元延遲的增加可能會影響設(shè)計的性能。如果標(biāo)準(zhǔn)單元的可用電壓低于特定水平，則該單元可能會完全停止工作，并可能導(dǎo)致設(shè)計功能失效?；蛘哂袝r IR 壓降在限制范圍內(nèi)，只有單元延遲增加，這會影響設(shè)計的建立和保持時序，有時會導(dǎo)致建立和保持時序失敗。

如果由于特定設(shè)計區(qū)域中的大量開關(guān)活動而導(dǎo)致電流需求突然增加，則 VDD 也可能突然下降。這種類型的 VDD 電平下降稱為voltage drop?；蛘咚赡軐?dǎo)致地電壓水平突然升高，這稱為ground bounce。這些統(tǒng)稱為電源噪聲。圖 3 顯示了由 IR 壓降引起的電源噪聲。

圖3 IR drop引起的電源噪音

IR drop分析和修復(fù)

常用的IR 分析工具是：Ansys的RedHawk和Cadence 的Voltus。

常用fix IR drop的方法有：

插入足夠數(shù)量的decap cell，這將促進(jìn)電力輸送網(wǎng)絡(luò)；規(guī)劃更合理的pg plan；合理控制local cell density；將高翻轉(zhuǎn)的的cell留足一定的keep-out margin；等。