電源網(wǎng)格的電壓下降和電遷移效應(yīng)分析

3．提取設(shè)計(jì)網(wǎng)表；

4．根據(jù)提取的寄生電阻、電容值和網(wǎng)表生成電路網(wǎng)表；

5．依據(jù)仿真向量集執(zhí)行電路仿真，主要仿真晶體管或門的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換以及該轉(zhuǎn)換對(duì)電源網(wǎng)格的影響。

動(dòng)態(tài)分析法的主要價(jià)值體現(xiàn)在它的精度。由于分析的依據(jù)是電路仿真，IR壓降和地線反彈結(jié)果將是非常精確的，并考慮了本地動(dòng)態(tài)效應(yīng)和封裝傳導(dǎo)效應(yīng)。

但動(dòng)態(tài)分析法面臨的挑戰(zhàn)也是十分艱巨的，原因在于：
1. 寄生提取要求非常高，因?yàn)樾枰崛?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/電源">電源網(wǎng)格的電阻和電容以及(至少)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的電容。
2. 電路仿真的對(duì)象非常多，會(huì)使電路仿真引擎滿負(fù)荷工作。
3. 用作激勵(lì)信號(hào)的向量集在決定輸出質(zhì)量時(shí)起著重要的作用。如果沒有采用完整的測(cè)試向量集，那么結(jié)果將是令人懷疑的，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/電源">電源網(wǎng)格的某些部分可能沒有被仿真到。
4. 最后，由于單個(gè)電源網(wǎng)格就有如此多的考慮因素，基于全面動(dòng)態(tài)仿真的電源網(wǎng)格分析法將難以適應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)模的進(jìn)一步增加。

許多追求動(dòng)態(tài)效應(yīng)的電源網(wǎng)格分析法必須求助于RC壓縮技術(shù)才能管理大量的仿真數(shù)據(jù)，然而這樣做與動(dòng)態(tài)分析法的主要價(jià)值－高精度是互相矛盾的。電源網(wǎng)格的RC壓縮化會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果的精度下降，甚至?xí)谏w真正的EMI問題。

電遷移和全芯片EMI分析

電源網(wǎng)格的電遷移是由流經(jīng)金屬線與通孔的平均電流引起的一種直流現(xiàn)象。這是深亞微米電源網(wǎng)格設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的另外一種重要問題。大電流密度與窄線寬會(huì)引起EMI，而由EMI造成的故障可能是災(zāi)難性的。這些故障一般都發(fā)生在用戶那兒，此時(shí)芯片早已安裝在系統(tǒng)中的基板上了，如果真的出問題，就可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)被召回。

雖然EMI可能會(huì)造成電源網(wǎng)格中的電路開路或短路，但最常見的影響還是電源網(wǎng)格路徑中電阻值的增加，由此引起IR壓降或地線反彈，從而影響到芯片的時(shí)序。這也是一個(gè)設(shè)計(jì)為什么最初工作正常且符合規(guī)范，但后來發(fā)生故障的原因所在。EMI設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性依據(jù)是平均電流水平，其實(shí)最終還是取決于信號(hào)線電容。

因此精確的EMI預(yù)測(cè)需要正確的電容信息。此外，由于設(shè)計(jì)中的金屬線會(huì)有高度變化，金屬有不同級(jí)別的材料屬性，因此每個(gè)金屬層都會(huì)有不同的故障標(biāo)準(zhǔn)，所以確定整個(gè)芯片上有潛在EMI問題的所有區(qū)域的唯一方法是進(jìn)行全芯片分析。

業(yè)界常用Black定律預(yù)測(cè)金屬線的平均無故障時(shí)間，主要參數(shù)是金屬線旁邊所示的平均電流密度J。平均數(shù)據(jù)越精確，MTTF的估測(cè)效果就越好。為了得到最精確的數(shù)據(jù)信息，往往需要在設(shè)計(jì)中使用大量的向量。同時(shí)必須測(cè)得每根金屬線的平均電流，然后除以線的寬度和厚度。這對(duì)構(gòu)造芯片來說顯然是不可能做到的，也無法用電路仿真實(shí)現(xiàn)。

替代昂貴的晶體管級(jí)仿真的另外一種方法是利用門級(jí)或更高層工具從活動(dòng)信息中獲取以觸發(fā)數(shù)據(jù)形式出現(xiàn)的平均電流。觸發(fā)數(shù)據(jù)其實(shí)只是一個(gè)門在上千個(gè)時(shí)鐘的仿真周期內(nèi)完成高低電平切換的次數(shù)。將這些觸發(fā)數(shù)據(jù)除以時(shí)鐘周期數(shù)就可以得到活動(dòng)信息。例如，一個(gè)存儲(chǔ)器電路的內(nèi)核的活動(dòng)性可能是0.02%，而一個(gè)數(shù)據(jù)路徑可能接近5%。對(duì)與電源網(wǎng)格相連的晶體管來說，這些因子可以轉(zhuǎn)換成平均電流信息。

當(dāng)然，設(shè)計(jì)師必須判斷整個(gè)電源網(wǎng)格上流動(dòng)的平均電流，以便評(píng)估給定設(shè)計(jì)的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。只是判斷被隔離了的模塊平均行為是不夠的，因?yàn)槟K在全芯片流程中可能只是周期性的工作。此外，即使對(duì)電源網(wǎng)格中的一部分作改動(dòng)也會(huì)對(duì)全局有影響。數(shù)據(jù)壓縮也是不能使用的，因?yàn)閿?shù)據(jù)壓縮本身可能會(huì)掩蓋某些真正的EMI問題。因此除非整個(gè)芯片作為一個(gè)實(shí)體得到了全面的驗(yàn)證，否則仍然存在EMI預(yù)測(cè)精度不足的風(fēng)險(xiǎn)。任何用作該用途的工具必須具備分析百萬個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)的能力。

本文小結(jié)

電源網(wǎng)格分析現(xiàn)已成為出帶之前一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)驗(yàn)證部分。由于IR壓降、地線反彈和EMI的存在，IC電源分配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得異常復(fù)雜。在較早以前，對(duì)電源網(wǎng)格進(jìn)行DRC、LVS和手工計(jì)算即可確保得到一個(gè)完美的電源網(wǎng)格設(shè)計(jì)，花較多的精力設(shè)計(jì)電源網(wǎng)格在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是一種可以接受的解決方案。而在當(dāng)今激烈競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)上，過多地考慮電源網(wǎng)格會(huì)導(dǎo)致良品率下降，設(shè)計(jì)缺乏競(jìng)爭(zhēng)性，而考慮欠妥也會(huì)導(dǎo)致出帶失敗、流片反復(fù)和代價(jià)高昂的現(xiàn)場(chǎng)故障－終究無法兩全其美。