【PD】IR Drop 的基本概念

IR DropOverviewIR Drop 的类型和影响IR Drop AnalysisOverview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 NetworkPDN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。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标准电池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V2V1 – I*R。所以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。IR Drop 的类型和影响IR Drop 分为两种类型静态 IR Drop 和 动态 IR Drop。静态 IR Drop 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动态 IR Drop 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。当输入连续切换时更多电流将流入实例和 PDN。所以 PDN 中会有更多的 IR drop。因此一般动态 IR Drop 大于静态 IR Drop。标准单元的延迟取决于单元的实际输入电压如果电压降低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。或者它可能导致低电压水平突然升高这称为 Ground Bounce。这些统称为电源噪声。IR Drop Analysis引起IR drop 主要有如下原因PG plan 较差power stripe 宽度太小间距太大供电网络中 Via通孔数量不足Decap Cells 数量不足High Local Cell Density局部实例density过高High Local Switching Ratio局部翻转率过高较大浪涌电流电压源数量不足Pg Plan 使用的 Metal 具有较大RC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给高翻转的 cell 留足一定的 keep-out margin等。