什么是DC IR Drop？DC IR Drop仿真有何意義？

一．什么是DC IR Drop

DC即Direct Current，直流電，電流方向不隨時間發(fā)生改變；IR Drop中的I指電流，R指電阻，I與R相乘即為電壓，IR Drop就是電壓降；由電源地走線、平面及去耦電容等構(gòu)成的電源分配系統(tǒng)，由于存在寄生電阻、寄生電感、寄生電容等寄生參數(shù)，其阻抗并不為零。當(dāng)芯片工作電流由電源輸出，流經(jīng)電源分配網(wǎng)絡(luò)到達(dá)芯片端時，就會在芯片端造成一定的直流壓降。

隨著半導(dǎo)體工藝的不斷演進(jìn)，集成電路（IC）的供電電壓持續(xù)降低，器件的工作電流持續(xù)增大，金屬互連線的寬度越來越窄，而R=ρL/S (其中，ρ表示導(dǎo)線材料的電阻率，是由其本身性質(zhì)決定，L表示導(dǎo)線的長度，S表示導(dǎo)線的橫截面積)，電阻值不斷變大， IR drop效應(yīng)越來越明顯。該問題使得電源無法為集成電路提供足夠的電壓，可能導(dǎo)致集成電路工作不穩(wěn)定。

二．IR Drop分類

靜態(tài)IR drop

靜態(tài)IR drop現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要是電源網(wǎng)絡(luò)的金屬連線分壓，電流經(jīng)過內(nèi)部電源連線的時候產(chǎn)生電源壓降。靜態(tài)壓降的計(jì)算不考慮電流隨時間的變化，或者說以很長一段時間內(nèi)的平均電流代指負(fù)載的電流。電阻值的計(jì)算也相對簡單，不會過多考慮電流趨膚效應(yīng)對電阻的影響，可以由電源網(wǎng)絡(luò)抽取出電阻值，并認(rèn)為它也是恒定不變的。靜態(tài)IR drop主要跟電源網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和連線細(xì)節(jié)有關(guān)，因此靜態(tài)IR drop主要考慮電阻效應(yīng)，分析電阻的影響即可。

動態(tài)IR drop

動態(tài)IR drop是電源在電路開關(guān)切換的時候電流波動引起的電壓壓降。這種現(xiàn)象產(chǎn)生在時鐘的觸發(fā)沿，時鐘沿跳變不僅帶來自身的大量晶體管開關(guān)，同時帶來組合邏輯電路的跳變，往往在短時間內(nèi)在整個芯片上產(chǎn)生很大的電流，這個瞬間的大電流引起了IR drop。同時開關(guān)的晶體管數(shù)量越多，越容易觸發(fā)動態(tài)IR drop現(xiàn)象。

IR drop可能是局部或全局性的。當(dāng)相鄰位置一定數(shù)量的邏輯門單元同時有邏輯翻轉(zhuǎn)動作時，就引起局部IR drop現(xiàn)象，而電源網(wǎng)格某一特定部分的電阻值特別高時，例如下圖中的R14遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)計(jì)時，也會導(dǎo)致局部IR drop；當(dāng)芯片某一區(qū)域內(nèi)的邏輯動作導(dǎo)致其它區(qū)域的IR drop時，稱之為全局現(xiàn)象。

電源網(wǎng)絡(luò)等效示意圖

三．IR Drop有什么危害

IR drop問題的表現(xiàn)常常類似一些時序甚至可能是信號的完整性問題。如果芯片的全局IR drop過高，則邏輯門就有功能故障，使芯片徹底失效，盡管邏輯仿真顯示設(shè)計(jì)是正確的。而局部IR drop比較敏感，它只在一些特定的條件下才可能發(fā)生，例如所有的總線數(shù)據(jù)同步進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，因此芯片會間歇性的表現(xiàn)出一些功能故障。

而IR drop比較普遍的影響就是降低了芯片的速度。試驗(yàn)表明，邏輯門單元上5%的IR drop將使正常的門速度降低15%。如果IR drop發(fā)生在時序緊張的路徑上，那么后果會更加嚴(yán)重。

IR drop還存在潛在的熱危害：布線時，電源平面被其他層的鉆孔破壞，導(dǎo)致完整的電源平面變得支離破碎。在該區(qū)域上方通常擺放高度集成的IC，當(dāng)大電流通過，電阻過高時，導(dǎo)致該區(qū)域溫度升高，影響整體IC散熱。有可能會導(dǎo)致性能變差（增加熱噪聲），最糟的情況會導(dǎo)致宕機(jī)。

四．為什么要DC IR Drop仿真

隨著半導(dǎo)體工藝的提高，大規(guī)模集成電路的大電流、低電壓設(shè)計(jì)使得直流壓降加大，減小了交流噪聲容限,加大電源完整性（PI）設(shè)計(jì)難度;同時電流密度引起的電遷移會引起可靠性問題。

因此要進(jìn)行 DC IR drop 分析（雖然 PI 問題是瞬態(tài)問題，但電源的 DC 分析是第一步）。對于DC分析，需要放置合理的電壓源與電流源，從而可從結(jié)果中直觀的觀察電流走向以及壓降。

可根據(jù)仿真流程導(dǎo)圖，一步一步的去設(shè)置完成仿真。仿真的關(guān)鍵，在于對電路回路的理解以及所放置的電壓與電流源的合理性，對于去耦電容的選擇，則需要根據(jù)諧振頻率計(jì)算，從而選取有效濾波的容值。

所有的電源供電芯片在相應(yīng)的設(shè)計(jì)下都有一個標(biāo)稱的輸出電壓與電壓波動范圍，每個分立器件也有標(biāo)稱的正常工作的電壓與上下容限范圍。需要根據(jù)這些給定條件結(jié)合仿真結(jié)果來判斷電源分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否符合要求。

芯片內(nèi)部IR Drop問題可以通過仿真手段加以分析，目前主流做法包括靜態(tài)分析和動態(tài)分析。靜態(tài)分析時，一般只考慮寄生電阻即可；動態(tài)分析時還要考慮寄生電容和寄生電感的影響。

目前對于130nm及以上的設(shè)計(jì)，靜態(tài)IR Drop仍然廣泛使用，能有效分析出由于power rail開路、via丟失、power straps不足、電源線寬度不足等等造成的IR Drop。后端設(shè)計(jì)可利用靜態(tài)IR Drop先將IR Drop優(yōu)化到2%-5%以內(nèi)（具體根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目決定)，然后利用動態(tài)分析瞬態(tài)IR Drop。

結(jié)論

DC IR Drop和互連阻抗、電源的電流大小有直接的關(guān)系，在走線時按照常規(guī)的要求是1A對應(yīng)1mm寬的走線，可以滿足電源通流要求。但是如果電源比較多，在板上有一些瓶頸區(qū)域，有時會很難檢查出來。這時需要一些電源仿真來查看哪些瓶頸和不滿足要求的地方。

在IRDrop的仿真中，可以看出電源設(shè)計(jì)哪里壓降較多，哪里壓降較少，也可以判斷電流密度是否過大，導(dǎo)致copper過熱等。