IR Drop的学习

IR Drop 的定义：指在集成电路中电源和地网络上电压下降和升高的一种现象。

随着半导体工艺的不断演进，金属互连线的宽度越来越窄，导致电阻值不断变大（供电电压越来越小），IR Drop的效应越来越明显。

芯片都把IR drop的分析作为芯片signoff的一个必要步骤。

Signoff 的定义：签发，指将设计数据交给芯片制造厂商生产之前，对设计数据进行复检，确认设计数据达到交付标准，这些检查和确认统称为signoff。

 

使用Redhawk：

IR drop 分类：

• Static IR Drop:主要是电源网络的金属连线的分压

• Dynamic Voltage Drop :电源在电路开关切换时电流波形引起的电压压降。这种现象产生在时钟的触发沿，时钟沿跳变不仅带来自身的大量晶体管开关，同事带来组合逻辑电路的跳变，往往在短时间内在整个芯片上产生大量的电流，这个瞬间的大电流引起了IR Drop现象。同时开关的晶体管数量越多，越容易触发动态IR Drop现象。

 

 下面对Input files 进行介绍：

ploc文件：（pad文件），其中包含design中所有的供电点信息。power pad/center pad的instance name、坐标位置、layer层、power net信息。

lef文件：Std cell，IP，Memory，io，bond pad，子模块的lef。除了子模块的lef外，其他fab厂都会提供对应的文件。子模块的lef可以由Milkyway来生成。这里需要注意的是tech lef必须写在lef list中的第一个。

lib文件：指design中所用到的standard cell，memory，ip，io等子模块的lib文件，这些文件fab厂或者Vendor均有提供。

tech文件：是指Apache的tech文件，这个文件一般可以通过ircx2tech来产生。

Timing文件：可以通过STA中的PT session来产生对应的Timing文件。

VCD(Value Change Dump)文件：一般由数字前端工程师提供。VCD文件是IEEE1364标准(Verilog HDL语言标准)中定义的一种ASCII文件。它主要包含了头信息，变量的预定义和变量值的变化信息。正是因为它包含了信号的变化信息，就相当于记录了整个仿真的信息，我们可以用这个文件来再现仿真，也就能够显示波形。因为VCD是 Verilog HDL语言标准的一部分，因此所有的verilog的仿真器都要能够实现这个功能，也要允许用户在verilog代码中通过系统函数来dump VCD文件。我们可以通过Verilog HDL的系统函数$dumpfile 来生成波形，通过$dumpvars的参数来规定我们抽取仿真中某些特定模块和信号的数据。因为VCD记录了信号的完整变化信息，我们还可以通过VCD文件来估计设计的功耗，而这一点也是其他波形文件所不具备的。

PrimeTime PX （Prime Power，这个工具其实是功耗分析的Signoff工具）都可以通过输入网表文件，带功耗信息的库文件以及仿真后产生的VCD文件来实现功耗分析。

由于静态IR Drop分析是基于power平均分布在每个instance上，因此我们在分析IR Drop前还需要给design中各个子模块指定一个预估的功耗值。这个功耗值的确定需要根据以往的项目经验或者实测功耗值，额外再添加点margin。这个功耗值如果设置不合理，分析出来的结果也是不具备参考价值的。另外，还需要设置合理的toggle rate值。

动态 IR Drop : 1）基于Vectless；2）基于VCD的动态IR Drop分析，可以不指定各个子模块的功耗值，工具可以从VCD中获取对应的power值，如果没有对应的功耗值，则采用用户设置的值。VCD中的信息，告诉工具那些cell在什么时候会翻转。

IR Drop的影响：

性能下降电压降低后，gate的开关速度变慢，性能降低。因此，对于高性能的设计，必须将IR Drop控制在很小的范围内。芯片功能错误在极端的情况下功能也会受影响的。在深亚微米下，如果power network做的不够好，然后碰上了很不好的case，IR drop在某个局部区域特别大（特别是动态IR drop），从而导致STA阶段signoff的timing 与实际情况不一致（考虑OCV仍然无法cover design的要求），导致setup或者hold的违例。setup的违例，可以通过抬高电压来提升频率，但是代价是功耗上去了，而且如果动态IR drop不够robust，可能通过抬电压，setup能提升的空间也有限。而一旦出现hold违例，那芯片就无法正常工作。因此在先进工艺中，IR drop的影响特别大，需要引起各位的高度重视。

改善IR drop的方法：

• 提高power mesh密度（电阻小，静态IR drop小）
• 增加power switch cell数量
• 插足够多的decap cell(含decoupling capacitance)
• 将同时翻转的寄存器摊开些摆放
• 使用useful skew的方法，错开寄存器翻转的时间窗口