電源規(guī)劃在后端設(shè)計(jì)中是一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容，電源供電的好壞將影響到的芯片的性能，更嚴(yán)重的可能會(huì)導(dǎo)致芯片無法正常工作。所以在后期如何評(píng)估芯片的電源是否魯棒是一項(xiàng)重要工作。RedHawk是目前業(yè)界進(jìn)行IR signoff的主要工具，通過下面的內(nèi)容我們將詳細(xì)介紹IR分析的基本流程。
一、為什么會(huì)有電壓降 我們假設(shè)理想電源可以穩(wěn)定給芯片的所有單元提供穩(wěn)定的電流，但是在實(shí)際的芯片中由于寄生參數(shù)的存在會(huì)導(dǎo)致分壓，所以由供電點(diǎn)（PAD）到實(shí)際單元會(huì)存在電勢差，這個(gè)差值稱之為IR-Drop。IR-Drop主要有兩種：（1）內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的電源電壓低于供電點(diǎn)的電壓（2）內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的地電壓高于供電凸點(diǎn)的地彈。 隨著半導(dǎo)體工藝的不斷演進(jìn)，金屬互連線的寬度越來越窄，導(dǎo)致電阻值不斷變大（供電電壓也越來越小），IR drop的效應(yīng)越來越明顯。因此，現(xiàn)在的芯片最后都把IR Drop的分析作為芯片signoff的一個(gè)必要步驟。 二、IR-Drop的分類 IR
drop主要分為兩種。一種是靜態(tài)的IR-Drop，另外一種則是動(dòng)態(tài)的IR-Drop。Static IR-Drop產(chǎn)生的原因主要是電源網(wǎng)絡(luò)的金屬連線的分壓。由于金屬連線自身存在電阻，在電流經(jīng)過內(nèi)部電源連線的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生電源壓降。所以Static 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)。 Dynamic IR-Drop是電源在電路開關(guān)切換的時(shí)候電流波動(dòng)引起的電壓壓降。這種現(xiàn)象產(chǎn)生在時(shí)鐘的觸發(fā)沿，時(shí)鐘沿跳變不僅帶來自身的大量晶體管開關(guān)，同時(shí)帶來組合邏輯電路的跳變，往往在短時(shí)間內(nèi)在整個(gè)芯片上產(chǎn)生很大的電流，這個(gè)瞬間的大電流引起了IR Drop現(xiàn)象。同時(shí)開關(guān)的晶體管數(shù)量越多，越容易觸發(fā)Dynamic IR Drop。 三、IR-Drop產(chǎn)生的影響 我們都知道MOS管的開關(guān)是由Gate控制，如果電壓降低，Gate的開關(guān)速度也會(huì)受到影響，這就會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果，我們假設(shè)極端的情況下，壓降可能都無法達(dá)到開啟閾值！！雖然實(shí)際情況可能沒有這么嚴(yán)重，但是也會(huì)產(chǎn)生一些較大的影響，例如：IR-Drop在某個(gè)區(qū)域特別大，可能會(huì)導(dǎo)致STA進(jìn)行signoff的timing和實(shí)際timing情況不一致，在加入OCV的影響下仍舊達(dá)不到signoff的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致setup或hold的時(shí)序違例，從而可能導(dǎo)致芯片無法正常工作。尤其是在先進(jìn)工藝中，電壓本身越來越低、高性能設(shè)計(jì)的IR必須在極小的數(shù)值內(nèi)。一般來說Static IR要在3%以內(nèi)，Dynamic IR要在10%以內(nèi)，具體需要查閱signoff文檔。四、RedHawk中IR的分析流程和相關(guān)文件介紹在GSR文件中需要配置RedHawk所需要的一些文件，主要分為下面兩大類： (一)用戶需要寫出的文件：PAD文件(描述供電點(diǎn)的信息，一般為電源或地線的名稱、位置、layer)、SPEF文件(RC信息)、STA文件(包含instance的 minimum/maximum transition times、timing window和時(shí)鐘信息)、DEF文件(DEF文件主要包括：標(biāo)準(zhǔn)單元，電源和地網(wǎng)絡(luò)和其他電路元件的物理描述)、VCD文件(一般由前端提供，用于計(jì)算peakpower以便于計(jì)算Dynamic IR) (二)設(shè)計(jì)中用到的IP、memory、stdcell的信息：lib、lef、techfile等 
在RedHawk中是通過計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的電流，通過電流和電阻計(jì)算得到電壓，從而判斷壓降情況的。
RedHawk User guide Chapter4:Power calculation uses information from a number of design files to evaluate the average cycle power consumption of all cell instances for both flat and hierarchical designs. The calculated power is used for both static and dynamic analysis. if {[file exist XX.def.gz]} { puts "econtinue"} else { exit}if {[file exist XX.ploc]} { puts "econtinue"} else { exit}if {[file exist XX.timing]} { puts "econtinue"} else { exit}# 導(dǎo)入相關(guān)數(shù)據(jù)、gsrimport gsr XX.gsrsetup designsetup analysis_mode static# 計(jì)算功耗perform pwrcalc# 提取電源網(wǎng)絡(luò)perform extraction -power -ground# 靜態(tài)壓降分析perform analysis -static#導(dǎo)出dbexport db static.dbexit
五、Static IR和Dynamic IR對(duì)比Static IR
| Dynamic IR
| 抽取電源網(wǎng)絡(luò)的命令： perform extraction [-power | -ground] 電源網(wǎng)絡(luò)的等效電路圖（純電阻網(wǎng)絡(luò)） 
Static IR計(jì)算流程：
1.計(jì)算每個(gè)instance流過的平均電流：使用前面計(jì)算出來每個(gè)instance的平均功耗，通過 Iavg=Pavg/Vsupply 公式計(jì)算每個(gè)instance的平均電流； 2.計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓：有了每個(gè)instance流過的平均電流再加上前面抽取的電源網(wǎng)絡(luò)上的電阻，根據(jù)基爾霍夫定律就可以算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓； 3.計(jì)算Static IR Drop：根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓可以算出每個(gè)instance電源網(wǎng)絡(luò)上的壓降和地線上的地彈，然后把兩者加起來除供電電壓就是IR Drop值。 | 抽取電源網(wǎng)絡(luò)的命令： perform extraction [-power | -ground] -l -c 電源網(wǎng)絡(luò)的等效電路圖（包含電阻、電容、電感） 
Dynamic IR計(jì)算流程：
1.計(jì)算每個(gè)instance流過的瞬態(tài)電流：對(duì)于翻轉(zhuǎn)的instance，流過的電流為PWL current；注：RedHawk 根據(jù)用戶指定的翻轉(zhuǎn)率（toggle rate）信息推導(dǎo)出sequential nets最壞情況的翻轉(zhuǎn)場景。使用最壞情況的翻轉(zhuǎn)場景和來自LIB文件，或者更準(zhǔn)確的，來自APL的電流配置文件，RedHawk 執(zhí)行仿真來自所有翻轉(zhuǎn)事件的峰值電流貢獻(xiàn)以獲得每個(gè)節(jié)點(diǎn)在仿真時(shí)間內(nèi)真實(shí)的隨時(shí)間變化的電流。 2.計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓：每個(gè)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)電壓（Vdynamic waveform）波形通過瞬態(tài)仿真計(jì)算獲得： 3.計(jì)算Dynamic IR Drop：根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓可以算出每個(gè)instance電源網(wǎng)絡(luò)上的壓降和地線上的地彈，然后把兩者加起來除供電電壓就是IR Drop值。 |
| Static IR | Dynamic IR | instance電流模型 | 所有instance的平均電流 | 翻轉(zhuǎn)的instance會(huì)獲取瞬態(tài)電流，不反轉(zhuǎn)的instance會(huì)僅獲得漏電流 | 電流大小 | 平均電流遠(yuǎn)小于真正的峰值電流 | 峰值電流 | 電流來源 | 需求電流完全由電池提供 | 部分需求電流由decaps提供 | 電源是否與翻轉(zhuǎn)有關(guān) | 不關(guān)心instance是否翻轉(zhuǎn)，instance會(huì)一直獲得電流 | 只有當(dāng)instance翻轉(zhuǎn)的時(shí)候，才會(huì)獲得瞬態(tài)電流，同時(shí)翻轉(zhuǎn)將會(huì)獲得巨大的峰值電流 | 封裝上的壓降 | 沒有封裝上的壓降
| 在封裝上有L*di/dt壓降 |
- 供電網(wǎng)絡(luò)更密，使得供電更加魯棒
- 如果是封裝上的壓降，BGA的封裝電感要比DIP封裝低很多文章部分內(nèi)容來自于參考資料和網(wǎng)絡(luò)資料，包括但不限于圖片、文字等，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系作者進(jìn)行刪除處理。（進(jìn)群歡迎加微信ichip2022）
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