芯片中的电源(VDD 和 VSS)通过metal rail和metal stripe均匀分布,称为电源传输网络(Power Delivery Network,PDN)或power grid。PDN 中使用的每个金属层都具有一定的电阻率。当电流流过供电网络时,一部分施加的电压将根据欧姆定律在 PDN 中下降。电压降的量将是 V = I.R,称为 IR drop。
图 1 显示了电源网络中的 IR drop。任何金属网络都可以假设为小 的R 和 C 的组合。
图1 金属网络中的IR drop
如果金属线的电阻率很高或通过电源网络的电流量很大,则电力输送网络中可能会下降大量电压,这将导致standard cell可用的电压低于实际电压施加的电压。
如果在电源端口施加 V1 电压并且电流 I 在具有总电阻 R 的特定网络中跟随,则标准电池另一端的可用电压 (V2) 将为:
V2 = V1 – I.R
由于供电网络中的 IR 下降,即使在电源端口中应用了足够的电压,标准单元或macro有时也无法获得运行它们所需的最低工作电压。在到达标准电压之前,电力输送网络中的电压降称为 IR drop。
这种下降可能会由于标准单元延迟的增加而导致芯片性能不佳,并可能由于建立/保持时序违规而导致芯片功能故障。为避免此问题,必须进行 IR 分析,并在设计中考虑其对时序分析的影响。
静态 IR 压降是在没有输入切换时供电网络 (PDN) 中的电压降,这意味着电路处于静态阶段。而动态 IR 压降是输入连续切换时供电网络中的电压降,这意味着电路处于功能状态。动态 IR drop 将取决于instance的切换速率。
图2 静态和动态IR drop示意图
当输入连续切换时,更多电流将流入instance 和 PDN。所以PDN中会有更多的IR drop。因此,一般动态 IR 压降大于静态 IR 压降。
引起IR drop主要由如下原因。
1. pg plan较差,power stripe宽度太小,间距太大;
2. 供电网络中via(通孔)数量不足;
3. decap cells 数量不足;
4. high local cell density(局部实例density过高);
5. high local switching ratio(局部翻转率过高);
6. 较大浪涌电流;
7. 电压源数量不足;
8. Pg plan使用的metal具有较大RC;
标准单元的延迟取决于单元的实际输入电压,如果电压减少,则单元的延迟会增加。单元延迟的增加可能会影响设计的性能。如果标准单元的可用电压低于特定水平,则该单元可能会完全停止工作,并可能导致设计功能失效。或者有时 IR 压降在限制范围内,只有单元延迟增加,这会影响设计的建立和保持时序,有时会导致建立和保持时序失败。
如果由于特定设计区域中的大量开关活动而导致电流需求突然增加,则 VDD 也可能突然下降。这种类型的 VDD 电平下降称为voltage drop。或者它可能导致地电压水平突然升高,这称为ground bounce。这些统称为电源噪声。图 3 显示了由 IR 压降引起的电源噪声。
图3 IR drop引起的电源噪音
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:
插入足够数量的decap cell,这将促进电力输送网络;规划更合理的pg plan;合理控制local cell density;将高翻转的的cell留足一定的keep-out margin;等。
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