IR Drop對(duì)芯片性能及功能的影響

1.前言

之前做過(guò)一個(gè)項(xiàng)目，有個(gè)模塊例化了10次，流片回來(lái)測(cè)試，有9個(gè)正常工作，另外一個(gè)工作不起來(lái)。這時(shí)這個(gè)模塊的負(fù)責(zé)人就來(lái)找我，問(wèn)到：IR仿真時(shí)這10個(gè)模塊結(jié)果是怎樣的？測(cè)試有問(wèn)題那個(gè)是IR最差的那個(gè)嗎？后來(lái)把仿真結(jié)果拿出來(lái)，發(fā)現(xiàn)工作不起來(lái)這個(gè)模塊IR不是最差的，結(jié)果和我就沒(méi)關(guān)系了。不過(guò)后來(lái)這個(gè)模塊又可以工作了（具體原因不知道）。

另一個(gè)項(xiàng)目（不是我參與的），工藝不同，還是這個(gè)模塊，不過(guò)只例化只有一次，但是流片回來(lái)測(cè)試，這個(gè)模塊在func模式下可以正常工作，在scan模式下工作不起來(lái)，項(xiàng)目組懷疑是IR問(wèn)題。結(jié)果后端負(fù)責(zé)人整天到處出差開(kāi)會(huì)（和foundary廠、項(xiàng)目經(jīng)理、DFT負(fù)責(zé)人等等），雖然已經(jīng)做了很多工作，但是目前還沒(méi)有定論。

從以上項(xiàng)目情況可知，芯片流片回來(lái)后，測(cè)試有問(wèn)題，如果定位不到原因，首先會(huì)懷疑IR問(wèn)題導(dǎo)致的，做IR分析的人就很無(wú)辜了，因?yàn)镮R的實(shí)際情況無(wú)法測(cè)量（據(jù)某司后端負(fù)責(zé)人講，他們已經(jīng)可以測(cè)出來(lái)）。

為啥測(cè)試有問(wèn)題首先會(huì)懷疑IR結(jié)果？隨著半導(dǎo)體工藝的演進(jìn)，金屬線越做越窄（電阻越來(lái)越大）、電壓越來(lái)越低（噪聲容限越來(lái)越?。?、電路頻率越來(lái)越高（cell 翻轉(zhuǎn)率越來(lái)越高）等一些列因素對(duì)IR都不太友好，也導(dǎo)致在先進(jìn)工藝IR分析越來(lái)越重要。加之IR沒(méi)法實(shí)測(cè)，導(dǎo)致有問(wèn)題不好定位，所以大家也稱(chēng)IR分析為“玄學(xué)”。

最初想寫(xiě)這篇文章是在做上一個(gè)項(xiàng)目的時(shí)候。由于項(xiàng)目中有一些加速器設(shè)計(jì)（累加累乘功能），導(dǎo)致這些模塊在die+封裝仿真時(shí)，模塊局部IR Drop特別大。當(dāng)時(shí)在沖刺signoff節(jié)點(diǎn)，項(xiàng)目經(jīng)理和開(kāi)發(fā)的人就問(wèn)這個(gè)IR Drop不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)到底有啥影響？可以waive不？哈哈，我就想說(shuō)你不想讓流片回來(lái)芯片測(cè)試時(shí)正常工作你就waive吧。不過(guò)言歸正傳，IR Drop對(duì)芯片性能（timing）到底有什么影響？

2.IR Drop定義

如下圖所示，描述了連接在一個(gè)有阻抗的電源上的兩個(gè)大緩沖器。最初，所有電源網(wǎng)格中的電平處于VDD。當(dāng)大驅(qū)動(dòng)器inv2開(kāi)始變化時(shí)，對(duì)電流的需求降低了電源網(wǎng)格的電壓。特別是導(dǎo)線電阻產(chǎn)生的電壓降會(huì)隨著電流從外部電源向inv2的流動(dòng)而增加。在芯片外圍的VDD連接點(diǎn)附近的電壓保持相當(dāng)高的水平，在連接到inv2時(shí)有V的壓降。實(shí)際上，IR壓降是由于時(shí)鐘緩沖器、總線驅(qū)動(dòng)器、存儲(chǔ)器譯碼驅(qū)動(dòng)器等的同時(shí)變化引起的。這些同時(shí)變化事件可以在芯片上的任何地方發(fā)生，因此，所有區(qū)域都可能受到IR壓降問(wèn)題的影響。當(dāng)輸出電平變到低時(shí)地線網(wǎng)格也會(huì)受同樣類(lèi)型問(wèn)題的影響，只是這時(shí)的電壓值會(huì)增加，這有時(shí)稱(chēng)為地線反跳（gound bounce）。

3. IRDrop對(duì)性能（timing）的影響

IR Drop可以影響n(yōu)et delay和cell delay。由于峰值電壓的減小，有IR Drop的instance的電壓擺幅會(huì)小于標(biāo)準(zhǔn)電壓。這會(huì)影響接收器的net delay和input slew（如下圖）。

假設(shè)driver工作在正常電壓Vdd，receiver工作在Virdrop電壓。由于cell delay是inputslew和outputload的函數(shù)，所以IR drop也會(huì)影響cell delay。除此之外，電壓的降低也會(huì)影響cell delay。

以SIMIC 0.13um工藝為例，總延遲的計(jì)算公式如下：

從公式中可以看出，當(dāng)電壓降為5%時(shí)，延遲值如下所示，也即延遲增加9.5%。

net delay和cell delay的增加會(huì)造成時(shí)序違例的產(chǎn)生，它可以引起setup和hold違例。如果電壓降或延遲位于數(shù)據(jù)路徑，他可能產(chǎn)生setup違例；如果電壓降或延遲是位于時(shí)鐘路徑，它可能會(huì)產(chǎn)生hold的違例。

如下面某個(gè)設(shè)計(jì)，其時(shí)鐘周期為3ns，則電壓降產(chǎn)生的時(shí)序違例分析如下表所示：

這個(gè)設(shè)計(jì)在沒(méi)有電壓降時(shí)，其工作主頻可以達(dá)到318MHz，在5%電壓降時(shí)主頻為294MHz，如果有10%的電壓降，則主頻只有272MHz.可見(jiàn)在高頻數(shù)字電路中，降低電壓降對(duì)于提高芯片的性能有著至關(guān)重要的作用。

4.IR Drop對(duì)芯片功能的影響

小編是不是搞錯(cuò)了？這玩意還能影響到功能。應(yīng)該沒(méi)有搞錯(cuò)，IR Drop損害了邏輯門(mén)的噪聲容限，這不僅是因?yàn)殡娫淳W(wǎng)格的電壓降低，而且也因?yàn)榈鼐€網(wǎng)格的電壓升高。一旦噪聲容限降到預(yù)算值（典型值為10%）之下，設(shè)計(jì)就不保證正確工作了。近年來(lái)，電源電壓一直降低，以避免晶體管的穿通條件、熱電子效應(yīng)和器件擊穿。更近年來(lái)的情況是，VDD的降低主要是為了減小功耗而不是其他問(wèn)題。無(wú)論那種情況都導(dǎo)致了越來(lái)越小的噪聲容限。由于有IR壓降，噪聲容限更進(jìn)一步降低，使得在百萬(wàn)晶體管級(jí)的設(shè)計(jì)中處理連線耦合噪聲效應(yīng)變得更加困難。

審核編輯：湯梓紅