電源網(wǎng)格的基本知識(shí)介紹

　　VDD網(wǎng)絡(luò)上的電壓下降（IR）和VSS網(wǎng)絡(luò)上的地線反彈會(huì)影響設(shè)計(jì)的整個(gè)時(shí)序和功能，如果忽視它們的存在，很可能導(dǎo)致芯片設(shè)計(jì)的失敗。電源網(wǎng)格中的大電流也會(huì)引起電遷移（EMI）效應(yīng)，在芯片的正常壽命時(shí)間內(nèi)會(huì)引起電源網(wǎng)格的金屬線性能劣化。這些不良效應(yīng)最終將造成代價(jià)不菲的現(xiàn)場(chǎng)故障和嚴(yán)重的產(chǎn)品可靠性問題。

　　電源網(wǎng)格的IR壓降和地線反彈

　　引起VDD網(wǎng)絡(luò)上IR壓降的原因是，晶體管或門的工作電流從VDD I/O引腳流出后要經(jīng)過電源網(wǎng)格的RC網(wǎng)絡(luò)，從而使到達(dá)器件的VDD電壓有所下降。地線反彈現(xiàn)象與此類似，電流流回VSS引腳時(shí)也要經(jīng)過RC網(wǎng)絡(luò)，從而導(dǎo)致到達(dá)器件的VSS電壓有所上升。更加精細(xì)的設(shè)計(jì)工藝和下一代設(shè)計(jì)技術(shù)使新的設(shè)計(jì)在IR壓降或地線反彈方面要承受更大的風(fēng)險(xiǎn)。電源網(wǎng)格上的IR壓降主要影響時(shí)序，它會(huì)降低門的驅(qū)動(dòng)能力，增加整個(gè)路徑的時(shí)延。一般情況下，供電電壓下降5%會(huì)使時(shí)延增加15%以上。時(shí)鐘緩沖器的時(shí)延會(huì)由于IR壓降增加1倍以上。當(dāng)時(shí)鐘偏移范圍在100ps內(nèi)時(shí)，這樣的時(shí)延增幅將是非常危險(xiǎn)的?？梢韵胂笠幌录信渲玫年P(guān)鍵路徑上發(fā)生這種未期而至的延時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么樣的情景，顯然，設(shè)計(jì)的性能或功能將變得不可預(yù)測(cè)。理想情況下，要想提高設(shè)計(jì)精度，其時(shí)序計(jì)算必須考慮最壞情況下的IR壓降。

　　電源網(wǎng)格分析方法主要有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方法。

　　靜態(tài)電源網(wǎng)格分析

　　靜態(tài)電源網(wǎng)格分析法無需額外的電路仿真即能提供全面的覆蓋。大多數(shù)靜態(tài)分析法都基于以下一些基本概念：

　　1．提取電源網(wǎng)格的寄生電阻；

　　2．建立電源網(wǎng)格的電阻矩陣；

　　3．計(jì)算與電源網(wǎng)格相連的每個(gè)電阻或門的平均電流；

　　4．根據(jù)晶體管或門的物理位置，將平均電流分配到電阻矩陣中；

　　5．在每個(gè)VDD I/O引腳上將VDD源應(yīng)用到矩陣；

　　6．利用靜態(tài)矩陣解決方案計(jì)算流經(jīng)電阻矩陣的電流和IR壓降。

　　由于靜態(tài)分析法假設(shè)VDD和VSS之間的去耦電容足夠?yàn)V除IR壓降或地線反彈的動(dòng)態(tài)峰值，因此其結(jié)果非常接近電源網(wǎng)格上動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換的效果。

　　靜態(tài)分析法的主要價(jià)值體現(xiàn)在簡(jiǎn)單和全面覆蓋。由于只需要電源網(wǎng)格的寄生電阻，因此提取的工作量非常小。而且每個(gè)晶體管或門都提供對(duì)電源網(wǎng)格的平均負(fù)載，因此該方法能夠全面覆蓋電源網(wǎng)格，但它的主要挑戰(zhàn)在于精度。靜態(tài)分析法沒有考慮本地動(dòng)態(tài)效應(yīng)和封裝傳導(dǎo)效應(yīng)（Ldi/dt），如果電源網(wǎng)格上沒有足夠的去耦電容，那么這二者都會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步的IR壓降和地線反彈。

　　動(dòng)態(tài)電源網(wǎng)格分析

　　動(dòng)態(tài)電源網(wǎng)格分析法不僅要求提取電源網(wǎng)格的寄生電阻，還要求提取寄生電容，并要完成電阻RC矩陣的動(dòng)態(tài)電路仿真。動(dòng)態(tài)電源網(wǎng)格分析法的典型步驟是：

　　1．提取電源網(wǎng)格的寄生電阻和電容；

　　2．提取信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的寄生電阻和電容；

　　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‰娫淳W(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)殡娫淳W(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)