IR Drop对芯片性能及功能的影响

1.前言

之前做过一个项目，有个模块例化了10次，流片回来测试，有9个正常工作，另外一个工作不起来。这时这个模块的负责人就来找我，问到：IR仿真时这10个模块结果是怎样的？测试有问题那个是IR最差的那个吗？后来把仿真结果拿出来，发现工作不起来这个模块IR不是最差的，结果和我就没关系了。不过后来这个模块又可以工作了（具体原因不知道）。

另一个项目（不是我参与的），工艺不同，还是这个模块，不过只例化只有一次，但是流片回来测试，这个模块在func模式下可以正常工作，在scan模式下工作不起来，项目组怀疑是IR问题。结果后端负责人整天到处出差开会（和foundary厂、项目经理、DFT负责人等等），虽然已经做了很多工作，但是目前还没有定论。

从以上项目情况可知，芯片流片回来后，测试有问题，如果定位不到原因，首先会怀疑IR问题导致的，做IR分析的人就很无辜了，因为IR的实际情况无法测量（据某司后端负责人讲，他们已经可以测出来）。

为啥测试有问题首先会怀疑IR结果？随着半导体工艺的演进，金属线越做越窄（电阻越来越大）、电压越来越低（噪声容限越来越小）、电路频率越来越高（cell 翻转率越来越高）等一些列因素对IR都不太友好，也导致在先进工艺IR分析越来越重要。加之IR没法实测，导致有问题不好定位，所以大家也称IR分析为“玄学”。

最初想写这篇文章是在做上一个项目的时候。由于项目中有一些加速器设计（累加累乘功能），导致这些模块在die+封装仿真时，模块局部IR Drop特别大。当时在冲刺signoff节点，项目经理和开发的人就问这个IR Drop不满足标准到底有啥影响？可以waive不？哈哈，我就想说你不想让流片回来芯片测试时正常工作你就waive吧。不过言归正传，IR Drop对芯片性能（timing）到底有什么影响？

2.IR Drop定义

如下图所示，描述了连接在一个有阻抗的电源上的两个大缓冲器。最初，所有电源网格中的电平处于VDD。当大驱动器inv2开始变化时，对电流的需求降低了电源网格的电压。特别是导线电阻产生的电压降会随着电流从外部电源向inv2的流动而增加。在芯片外围的VDD连接点附近的电压保持相当高的水平，在连接到inv2时有V的压降。实际上，IR压降是由于时钟缓冲器、总线驱动器、存储器译码驱动器等的同时变化引起的。这些同时变化事件可以在芯片上的任何地方发生，因此，所有区域都可能受到IR压降问题的影响。当输出电平变到低时地线网格也会受同样类型问题的影响，只是这时的电压值会增加，这有时称为地线反跳（gound bounce）。

3. IRDrop对性能（timing）的影响

IR Drop可以影响net delay和cell delay。由于峰值电压的减小，有IR Drop的instance的电压摆幅会小于标准电压。这会影响接收器的net delay和input slew（如下图）。

假设driver工作在正常电压Vdd，receiver工作在Virdrop电压。由于cell delay是inputslew和outputload的函数，所以IR drop也会影响cell delay。除此之外，电压的降低也会影响cell delay。

以SIMIC 0.13um工艺为例，总延迟的计算公式如下：

从公式中可以看出，当电压降为5%时，延迟值如下所示，也即延迟增加9.5%。

net delay和cell delay的增加会造成时序违例的产生，它可以引起setup和hold违例。如果电压降或延迟位于数据路径，他可能产生setup违例；如果电压降或延迟是位于时钟路径，它可能会产生hold的违例。

如下面某个设计，其时钟周期为3ns，则电压降产生的时序违例分析如下表所示：

这个设计在没有电压降时，其工作主频可以达到318MHz，在5%电压降时主频为294MHz，如果有10%的电压降，则主频只有272MHz.可见在高频数字电路中，降低电压降对于提高芯片的性能有着至关重要的作用。

4.IR Drop对芯片功能的影响

小编是不是搞错了？这玩意还能影响到功能。应该没有搞错，IR Drop损害了逻辑门的噪声容限，这不仅是因为电源网格的电压降低，而且也因为地线网格的电压升高。一旦噪声容限降到预算值（典型值为10%）之下，设计就不保证正确工作了。近年来，电源电压一直降低，以避免晶体管的穿通条件、热电子效应和器件击穿。更近年来的情况是，VDD的降低主要是为了减小功耗而不是其他问题。无论那种情况都导致了越来越小的噪声容限。由于有IR压降，噪声容限更进一步降低，使得在百万晶体管级的设计中处理连线耦合噪声效应变得更加困难。

审核编辑：汤梓红