電源網(wǎng)格的IR壓降和地線反彈

　　引起VDD網(wǎng)絡(luò)上IR壓降的原因是，晶體管或門(mén)的工作電流從VDD I/O引腳流出后要經(jīng)過(guò)電源網(wǎng)格的RC網(wǎng)絡(luò)，從而使到達(dá)器件的VDD電壓有所下降。地線反彈現(xiàn)象與此類(lèi)似，電流流回VSS引腳時(shí)也要經(jīng)過(guò)RC網(wǎng)絡(luò)，從而導(dǎo)致到達(dá)器件的VSS電壓有所上升。更加精細(xì)的設(shè)計(jì)工藝和下一代設(shè)計(jì)技術(shù)使新的設(shè)計(jì)在IR壓降或地線反彈方面要承受更大的風(fēng)險(xiǎn)。電源網(wǎng)格上的IR壓降主要影響時(shí)序，它會(huì)降低門(mén)的驅(qū)動(dòng)能力，增加整個(gè)路徑的時(shí)延。一般情況下，供電電壓下降5%會(huì)使時(shí)延增加15%以上。時(shí)鐘緩沖器的時(shí)延會(huì)由于IR壓降增加1倍以上。當(dāng)時(shí)鐘偏移范圍在100ps內(nèi)時(shí)，這樣的時(shí)延增幅將是非常危險(xiǎn)的?？梢韵胂笠幌录信渲玫年P(guān)鍵路徑上發(fā)生這種未期而至的延時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么樣的情景，顯然，設(shè)計(jì)的性能或功能將變得不可預(yù)測(cè)。理想情況下，要想提高設(shè)計(jì)精度，其時(shí)序計(jì)算必須考慮最壞情況下的IR壓降。

　　電源網(wǎng)格分析方法主要有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方法。

　　靜態(tài)電源網(wǎng)格分析

　　靜態(tài)電源網(wǎng)格分析法無(wú)需額外的電路仿真即能提供全面的覆蓋。大多數(shù)靜態(tài)分析法都基于以下一些基本概念：

　　1．提取電源網(wǎng)格的寄生電阻；

　　2．建立電源網(wǎng)格的電阻矩陣；

　　3．計(jì)算與電源網(wǎng)格相連的每個(gè)電阻或門(mén)的平均電流；

　　4．根據(jù)晶體管或門(mén)的物理位置，將平均電流分配到電阻矩陣中；

　　5．在每個(gè)VDD I/O引腳上將VDD源應(yīng)用到矩陣；

　　6．利用靜態(tài)矩陣解決方案計(jì)算流經(jīng)電阻矩陣的電流和IR壓降。

　　由于靜態(tài)分析法假設(shè)VDD和VSS之間的去耦電容足夠?yàn)V除IR壓降或地線反彈的動(dòng)態(tài)峰值，因此其結(jié)果非常接近電源網(wǎng)格上動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換的效果。

　　靜態(tài)分析法的主要價(jià)值體現(xiàn)在簡(jiǎn)單和全面覆蓋。由于只需要電源網(wǎng)格的寄生電阻，因此提取的工作量非常小。而且每個(gè)晶體管或門(mén)都提供對(duì)電源網(wǎng)格的平均負(fù)載，因此該方法能夠全面覆蓋電源網(wǎng)格，但它的主要挑戰(zhàn)在于精度。靜態(tài)分析法沒(méi)有考慮本地動(dòng)態(tài)效應(yīng)和封裝傳導(dǎo)效應(yīng)（Ldi/dt），如果電源網(wǎng)格上沒(méi)有足夠的去耦電容，那么這二者都會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步的IR壓降和地線反彈。

　　動(dòng)態(tài)電源網(wǎng)格分析

　　動(dòng)態(tài)電源網(wǎng)格分析法不僅要求提取電源網(wǎng)格的寄生電阻，還要求提取寄生電容，并要完成電阻RC矩陣的動(dòng)態(tài)電路仿真。動(dòng)態(tài)電源網(wǎng)格分析法的典型步驟是：

　　1．提取電源網(wǎng)格的寄生電阻和電容；

　　2．提取信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的寄生電阻和電容；

　　3．提取設(shè)計(jì)網(wǎng)表；

　　4．根據(jù)提取的寄生電阻、電容值和網(wǎng)表生成電路網(wǎng)表；

　　5．依據(jù)仿真向量集執(zhí)行電路仿真，主要仿真晶體管或門(mén)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換以及該轉(zhuǎn)換對(duì)電源網(wǎng)格的影響。

　　動(dòng)態(tài)分析法的主要價(jià)值體現(xiàn)在它的精度。由于分析的依據(jù)是電路仿真，IR壓降和地線反彈結(jié)果將是非常精確的，并考慮了本地動(dòng)態(tài)效應(yīng)和封裝傳導(dǎo)效應(yīng)。

　　但動(dòng)態(tài)分析法面臨的挑戰(zhàn)也是十分艱巨的，原因在于：

　　1. 寄生提取要求非常高，因?yàn)樾枰崛‰娫淳W(wǎng)格的電阻和電容以及（至少）信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的電容。

　　2. 電路仿真的對(duì)象非常多，會(huì)使電路仿真引擎滿負(fù)荷工作。

　　3. 用作激勵(lì)信號(hào)的向量集在決定輸出質(zhì)量時(shí)起著重要的作用。如果沒(méi)有采用完整的測(cè)試向量集，那么結(jié)果將是令人懷疑的，因?yàn)殡娫淳W(wǎng)格的某些部分可能沒(méi)有被仿真到。

　　4. 最后，由于單個(gè)電源網(wǎng)格就有如此多的考慮因素，基于全面動(dòng)態(tài)仿真的電源網(wǎng)格分析法將難以適應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)模的進(jìn)一步增加。

　　許多追求動(dòng)態(tài)效應(yīng)的電源網(wǎng)格分析法必須求助于RC壓縮技術(shù)才能管理大量的仿真數(shù)據(jù)，然而這樣做與動(dòng)態(tài)分析法的主要價(jià)值－高精度是互相矛盾的。電源網(wǎng)格的RC壓縮化會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果的精度下降，甚至?xí)谏w真正的EMI問(wèn)題。

　　電遷移和全芯片EMI分析

　　電源網(wǎng)格的電遷移是由流經(jīng)金屬線與通孔的平均電流引起的一種直流現(xiàn)象。這是深亞微米電源網(wǎng)格設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的另外一種重要問(wèn)題。大電流密度與窄線寬會(huì)引起EMI，而由EMI造成的故障可能是災(zāi)難性的。這些故障一般都發(fā)生在用戶(hù)那兒，此時(shí)芯片早已安裝在系統(tǒng)中的基板上了，如果真的出問(wèn)題，就可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)被召回。

　　雖然EMI可能會(huì)造成電源網(wǎng)格中的電路開(kāi)路或短路，但最常見(jiàn)的影響還是電源網(wǎng)格路徑中電阻值的增加，由此引起IR壓降或地線反彈，從而影響到芯片的時(shí)序。這也是一個(gè)設(shè)計(jì)為什么最初工作正常且符合規(guī)范，但后來(lái)發(fā)生故障的原因所在。EMI設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性依據(jù)是平均電流水平，其實(shí)最終還是取決于信號(hào)線電容。

　　因此精確的EMI預(yù)測(cè)需要正確的電容信息。此外，由于設(shè)計(jì)中的金屬線會(huì)有高度變化，金屬有不同級(jí)別的材料屬性，因此每個(gè)金屬層都會(huì)有不同的故障標(biāo)準(zhǔn)，所以確定整個(gè)芯片上有潛在EMI問(wèn)題的所有區(qū)域的唯一方法是進(jìn)行全芯片分析。

　　業(yè)界常用Black定律預(yù)測(cè)金屬線的平均無(wú)故障時(shí)間，主要參數(shù)是金屬線旁邊所示的平均電流密度J。平均數(shù)據(jù)越精確，MTTF的估測(cè)效果就越好。為了得到最精確的數(shù)據(jù)信息，往往需要在設(shè)計(jì)中使用大量的向量。同時(shí)必須測(cè)得每根金屬線的平均電流，然后除以線的寬度和厚度。這對(duì)構(gòu)造芯片來(lái)說(shuō)顯然是不可能做到的，也無(wú)法用電路仿真實(shí)現(xiàn)。

　　替代昂貴的晶體管級(jí)仿真的另外一種方法是利用門(mén)級(jí)或更高層工具從活動(dòng)信息中獲取以觸發(fā)數(shù)據(jù)形式出現(xiàn)的平均電流。觸發(fā)數(shù)據(jù)其實(shí)只是一個(gè)門(mén)在上千個(gè)時(shí)鐘的仿真周期內(nèi)完成高低電平切換的次數(shù)。將這些觸發(fā)數(shù)據(jù)除以時(shí)鐘周期數(shù)就可以得到活動(dòng)信息。例如，一個(gè)存儲(chǔ)器電路的內(nèi)核的活動(dòng)性可能是0.02%，而一個(gè)數(shù)據(jù)路徑可能接近5%。對(duì)與電源網(wǎng)格相連的晶體管來(lái)說(shuō)，這些因子可以轉(zhuǎn)換成平均電流信息。

　　當(dāng)然，設(shè)計(jì)師必須判斷整個(gè)電源網(wǎng)格上流動(dòng)的平均電流，以便評(píng)估給定設(shè)計(jì)的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。只是判斷被隔離了的模塊平均行為是不夠的，因?yàn)槟K在全芯片流程中可能只是周期性的工作。此外，即使對(duì)電源網(wǎng)格中的一部分作改動(dòng)也會(huì)對(duì)全局有影響。數(shù)據(jù)壓縮也是不能使用的，因?yàn)閿?shù)據(jù)壓縮本身可能會(huì)掩蓋某些真正的EMI問(wèn)題。因此除非整個(gè)芯片作為一個(gè)實(shí)體得到了全面的驗(yàn)證，否則仍然存在EMI預(yù)測(cè)精度不足的風(fēng)險(xiǎn)。任何用作該用途的工具必須具備分析百萬(wàn)個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)的能力。

　　電源網(wǎng)格分析現(xiàn)已成為出帶之前一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)驗(yàn)證部分。由于IR壓降、地線反彈和EMI的存在，IC電源分配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得異常復(fù)雜。在較早以前，對(duì)電源網(wǎng)格進(jìn)行DRC、LVS和手工計(jì)算即可確保得到一個(gè)完美的電源網(wǎng)格設(shè)計(jì)，花較多的精力設(shè)計(jì)電源網(wǎng)格在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是一種可以接受的解決方案。而在當(dāng)今激烈競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)上，過(guò)多地考慮電源網(wǎng)格會(huì)導(dǎo)致良品率下降，設(shè)計(jì)缺乏競(jìng)爭(zhēng)性，而考慮欠妥也會(huì)導(dǎo)致出帶失敗、流片反復(fù)和代價(jià)高昂的現(xiàn)場(chǎng)故障－終究無(wú)法兩全其美。