什么是 IR-drop

看到標(biāo)題，剛剛接觸IC行業(yè)的童鞋可能會問，什么是IR-drop？其實，IR這個詞并不是什么縮寫，這里的I就是指電流，R是指電阻，他們放在一起相乘，得出來的結(jié)果就是電壓。所以說IR drop就是指電壓降，哈哈，剛接觸芯片后端會看到太多縮寫，突然來個IR一時會反應(yīng)不過來是電壓。

IR壓降是指出現(xiàn)在集成電路中電源和地網(wǎng)絡(luò)上電壓下降或升高的一種現(xiàn)象。隨著半導(dǎo)體工藝的演進金屬互連線的寬度越來越窄，導(dǎo)致它的電阻值上升，所以在整個芯片范圍內(nèi)將存在一定的IR壓降。IR壓降的大小決定于從電源PAD到所計算的邏輯門單元之間的等效電阻的大小。

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)的金屬連線的分壓，是由于金屬連線的自身電阻分壓造成的。電流經(jīng)過內(nèi)部電源連線的時候產(chǎn)生電源壓降。所以靜態(tài)IR drop主要跟電源網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和連線細節(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現(xiàn)象。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。

SoC設(shè)計中的每一個邏輯門單元的電流都會對設(shè)計中的其它邏輯門單元造成不同程度的IR壓降。如果連接到金屬連線上的邏輯門單元同時有翻轉(zhuǎn)動作，那么因此而導(dǎo)致的IR壓降將會很大。然而，設(shè)計中的某些部分的同時翻轉(zhuǎn)又是非常重要的，例如時鐘網(wǎng)絡(luò)和它所驅(qū)動的寄存器，在一個同步設(shè)計中它們必須同時翻轉(zhuǎn)。因此，一定程度的IR壓降是不可避免的。

IR壓降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壓降現(xiàn)象，而電源網(wǎng)格某一特定部分的電阻值特別高時，例如R14遠遠超出預(yù)計時，也會導(dǎo)致局部IR壓降；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壓降時，稱之為全局現(xiàn)象。

IR-drop有什么影響？

IR壓降問題的表現(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壓降過高，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)計是正確的。而局部IR壓降比較敏感，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壓降比較普遍的影響就是降低了芯片的速度。試驗表明，邏輯門單元上5%的IR壓降將使正常的門速度降低15%。

除了對芯片本身工作狀態(tài)產(chǎn)生影響外，電源噪聲還會對其他部分產(chǎn)生影響。比如電源噪聲會影響晶振、PLL、DLL的抖動特性，A/D轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換精度等。由于最終產(chǎn)品工作溫度的變化以及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的不一致性，如果是由于電源噪聲產(chǎn)生的問題，電路將非常難調(diào)試。

怎么解決IR-drop？

在實際為了保證輸出電壓的穩(wěn)定，需要在封裝、PCB上使用去耦電容和合理的電源平面與地平面對。從目前電源完整性分析的角度看，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為在PCB上可以處理到最高到幾百兆赫茲電源完整性問題，更高頻率的電源完整性問題需要在芯片和封裝設(shè)計時解決。其次，在SoC內(nèi)部，電源/地網(wǎng)絡(luò)采用mesh網(wǎng)格設(shè)計。芯片內(nèi)部IR drop問題可以通過仿真手段加以分析，目前主流做法分為靜態(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。

一般foundry廠家會提供電壓降的sign-off標(biāo)準(zhǔn)，比如靜態(tài)5%以內(nèi)，動態(tài)10%以內(nèi)。以上數(shù)字只是舉例用，具體的標(biāo)準(zhǔn)要結(jié)合不同foundry不同工藝來看。在實際SoC設(shè)計中引起IR drop的原因有很多，有全局的，比如floor plan不合理，或者電源網(wǎng)絡(luò)密度不夠等等；也有局部的，比如某一小區(qū)域內(nèi)clock buffer太多，decap很少等等。相對應(yīng)的修復(fù)IR drop的方法也就有很多，要結(jié)合仿真結(jié)果，具體問題具體分析了。