什么是 IR-drop

看到標題，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)絡上電壓下降或升高的一種現(xiàn)象。隨著半導體工藝的演進金屬互連線的寬度越來越窄，導致它的電阻值上升，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)絡的結(jié)構和連線細節(jié)有關。因此靜態(tài)IR drop主要考慮電阻效應，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，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設計中的每一個邏輯門單元的電流都會對設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，那么因此而導致的IR壓降將會很大。然而，設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)絡和它所驅(qū)動的寄存器，在一個同步設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遠遠超出預計時，也會導致局部IR壓降；當芯片某一區(qū)域內(nèi)的邏輯動作導致其它區(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計時解決。其次，在SoC內(nèi)部，電源/地網(wǎng)絡采用mesh網(wǎng)格設計。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標準，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，具體的標準要結(jié)合不同foundry不同工藝來看。在實際SoC設計中引起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。相對應的修復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。