IR Drop电压降

1. IR Drop概念

IR Drop电压降_第1张图片

由于金属各层存在电阻,芯片电压到达内部电路会有电压损耗。IR Drop定义为电源网络的峰值电流×供电pad到芯片中心的有效电阻。IR Drop分析可以确保健壮的PDN(power delivery network)电源传输网络,随着器件和供电电压距离增加,IR Drop会增加。

2. IR Drop分析

IR Drop分析会计算实际的IDD/ISS电流,这些值由时间决定;准确计算全局IR Drop,但不能分别(并行)计算小的blocks,会导致较长的运行时间。

1) Local IR Drop

一些相邻的门同时开关造成局部电压降,也可能是grid特定部分的高电阻导致的。

2)Global IR Drop

当一个区域的活动影响其他区域的电压降称为全局电压降。好的电源网络电流分布均匀,电源网络有一组以芯片中心等电位的同心圆,最大的电压降在芯片中心,IR Drop的peak值比average值大很多,peak值一般发生在worst-case下的门的开关活动。

3. IR Drop的类型

1)静态电压降

静态电压降式设计的平均电压降,平均电流取决于时间周期,在老工艺节点电源网络及未进行开关活动的逻辑电路的耦合电容的分析是有效的。只考虑局部的开关活动,仅占供电电压的百分之几,通过降低 供电和信号路径的电阻来减少。

抽取电源网络获取电阻R,选取激励,计算典型工作平均功耗获取电流,电压V=IR。

2)动态电压降

大量的电路同时开关导致大的电流peak值,动态电压降导致瞬态电压降并与时钟周期关系较小,瞬态电流可以高度局部化,且可以在单个时钟周期内短暂出现。取决于矢量,基于VCD进行分析。

抽取电源网络获取片上电阻电容,包括封装的RLC模型和bond线,选取激励,计算特定工作的时变功耗获取 I(t) ,计算V(t)=I(t)*R+C*dv/dt*r+L*di/dt。

4.IR Drop的原因

电源/地的pad放置不合理,block放置错误,全局电源布线太差,电源环不足,电源条线宽度不足,电源条线数不足,via缺失,电源Pad的数量不足。

5.电源网健壮性检查

电路的开路,via缺失或不足、电流密度、power rail不足。

1)影响

电压降分析确认芯片最差情况下的电压降满足电压降目标。时序影响电压降过大,电路不能获取足够电压,导致时序或功能错误,电压降增加时钟偏斜会造成hold违例,电压降增加信号路径偏斜会造成setup违例。

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2)补救措施

错开buffer的翻转;对时钟ck buffers使用不同的电源网络tap,但布线更加复杂;使用小buffers,但增加延时,降低边缘速率;重新规划blocks;增加VDD pin,将grid的底部连接到顶层部分;在芯片上供电网络对称分布;降低供电网络的电阻,信号路径使供电线比信号线粗,R=pL/A;插入Decap可以解决动态电压降,在设计的后面阶段;

decap的数量取决于:VDD-VSS可接受的波纹(典型值为10%的噪声),逻辑电路的开关活动(通常为10X的开关电容);电源网络提供的电流(di/dt);所需的响应频率(高频工作)。

3)Ldi/dt 的影响

电压降外,电源系统的电感也是一个问题,在电源引脚(pin)、电源bump或电源网会产生。

总的电压降为:Vdrop=IR+Ldi/dt

解决办法:在设计中自由分配去耦电容(decaps)。

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原文:IR Analysis | VLSI Back-End Adventure (vlsi-backend-adventure.com)

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