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IR drop基础知识及危害

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发表于 2015-3-16 11:22:42 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

芯片电源网络上的IR drop按照形成原因可以分成静态和动态两种.IR drop现象影响了标准单元的电源电压,使得标准单元不能很好的工作.

静态IR drop
VDD电压的静态IR drop现象产生的原因主要是电源网络的金属连线的分压,是由于金属连线的自身电阻分压造成的.电流经过内部电源连线的时候,根据欧姆定律产生电源压降.所以静态IR drop主要跟电源网络的结构和连线细节有关,比如:金属连线的宽度,金属连线所用层,该路径流过的电流大小,尤其需要注意的是通孔的个数和打孔的位置.

动态IR drop
VDD电压的动态IR drop是电源在电路开关切换的时候电流波动引起的电压压降.这种现象产生在时钟的触发沿,时钟沿跳变不仅带来自身的大量晶体管开关,同时带来组合逻辑电路的跳变,往往在短时间内在整个芯片上产生很大的电流,这个瞬间的大电流引起了IR drop现象.同时开关的晶体管数量越多,越容易触发动态IR drop现象.比如高扇出的一些结构,同一时间需求大量电流, 再比如扫描测试电路,扫描链非常大也容易引起这个现象.这个在设计的时候,电路结构中应该尽可能避免掉.后端设计的时候能做的就是给出足够强壮的电源网络,给出足够大的裕度.
IR drop现象在芯片设计中的影响
如果通过电源网络到达某flip flop的电源压降IR drop太大, 这个flip flop可能无法正常工作. 最直接的影响是由于标准单元看到的电源假如是VDD’ 低于VDD,那么根据MOS模型这个单元的transition将变大,响应速度变慢.通常,如果是在clock时钟路径上产生IR drop会带来hold-time错误,如果在数据路径上的IR drop压降会带来setup错误. 一般情况下,5%的电源压降会增大10%-15%的线延迟.另外,还有可能引起信号完整性方面的问题,因为一个弱的电源导致弱的信号,弱的信号更容易被噪声影响甚至淹没.
但是,我们知道IR drop这种现象是每个芯片都会有的(我们不可能所有连线都用超导材料对吧? ^_^)所以,面对IR drop其实大家只能是尽可能去减小这种影响, 尽可能让IR drop所产生的影响不至于对信号完整性和时序产生不良影响.

IR drop的兄弟,EM现象
EM是电子迁移现象. 作为特定的工艺来说,某个金属层会有一个最大电流密度,在这层金属上允许的最大电流密度是有一定限度的,过大的电流会造成金属断裂. 电流经过金属层时,电子和原子可能会碰撞,电流过大这种碰撞会产生热效应,同时热效应会加剧原子和电子的碰撞. 某种意义上来说,EM效应也有热效应的影子.这种大电流的情况下,不仅仅是电子的移动,有可能会在金属层造成阳极原子的迁移,这种迁移造成了金属连线的破损断裂,同时也可能会顺着迁移方向短路到其他线路.
IR drop 的分析
对芯片电源进行有效的设计必须理解IR drop的产生原理. 静态IR drop和动态IR drop之间没有什么必然的联系. 现在的芯片设计中,电源设计和IR drop分析被不断的前提,应为深亚微米之后的电源压降现象更严重,早日分析早日发现问题并在设计中考虑到是很有必要的.在后端设计中,布局之时就应该考虑电源的规划,快速布局之后就应该对电源设计做一次分析. 到Sign-off阶段再做更详细的分析:功耗\压降\电子迁移\热.
做静态分析需要用到的是TCF(toggle count format)文件;做动态功耗分析需要知道两个重要的信息:电源点的位置(一般是PAD,也有的是用片内Regulator等)和动态仿真所用的文件VCD(Value change dump)或者TWF(timing window format)文件.
电源分析部分所用的工具一般是以Apache公司的Totem和其旗舰产品Redhawk来做. 其中Redhawk被很多设计公司作为Sign-off工具.

因为U=IR,所以IR-drop顾名思义就是压降。其危害有:

1。性能(performance) 由管子的Tdelay=c/u可知,电压降低,门的开关速度越慢,性能越差。

2。功能(function) 实际上在极端的情况下甚至功能也会受影响的。在深亚微米下,如果Power/Ground network做的也很差,然后碰上了很不好的case,IR drop会很大,如果用的是high Vt的process,则DC noise margin就比较小了。这样就有可能功能错误。

3。功耗(power) 如果没有做详细的IR drop分析,又想功能正确,那就只有留很大的margin了,本来1.2v可以跑的,也只能用1.5v了。但是这样功耗也就上去了。

4。面积(area) 如果要在一定程度上限制IR drop,就要在chip里面加上很多的decoupling capacitance.占用了很多面积。

5。成本(cost) 功耗上去了,响应的散热,封装都成了问题,需要额外花费啦。而且面积变大,也是钱啊~~ 所以,IR drop还是一个比较讨厌的问题,需要小心对待。


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