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態(tài)轉(zhuǎn)換以及該轉(zhuǎn)換對電源網(wǎng)格的影響。

動態(tài)分析法的主要價值體現(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，并考慮了本地動態(tài)效應(yīng)和封裝傳導(dǎo)效應(yīng)。

但動態(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，因為需要提取電源網(wǎng)格的電阻和電容以及(至少)信號網(wǎng)絡(luò)的電容。
2. 電路仿真的對象非常多，會使電路仿真引擎滿負荷工作。
3. 用作激勵信號的向量集在決定輸出質(zhì)量時起著重要的作用。如果沒有采用完整的測試向量集，那么結(jié)果將是令人懷疑的，因為電源網(wǎng)格的某些部分可能沒有被仿真到。
4. 最后，由于單個電源網(wǎng)格就有如此多的考慮因素，基于全面動態(tài)仿真的電源網(wǎng)格分析法將難以適應(yīng)設(shè)計規(guī)模的進一步增加。

許多追求動態(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)，然而這樣做與動態(tài)分析法的主要價值－高精度是互相矛盾的。電源網(wǎng)格的RC壓縮化會導(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)計中出現(xiàn)的另外一種重要問題。大電流密度與窄線寬會引起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，就可能會導(dǎo)致設(shè)計被召回。

雖然EMI可能會造成電源網(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序。這也是一個設(shè)計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)計的指導(dǎo)性依據(jù)是平均電流水平，其實最終還是取決于信號線電容。

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

業(yè)界常用Black定律預(yù)測金屬線的平均無故障時間，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)計中使用大量的向量。同時必須測得每根金屬線的平均電流，然后除以線的寬度和厚度。這對構(gòu)造芯片來說顯然是不可能做到的，也無法用電路仿真實現(xiàn)。

替代昂貴的晶體管級仿真的另外一種方法是利用門級或更高層工具從活動信息中獲取以觸發(fā)數(shù)據(jù)形式出現(xiàn)的平均電流。觸發(fā)數(shù)據(jù)其實只是一個門在上千個時鐘的仿真周期內(nèi)完成高低電平切換的次數(shù)。將這些觸發(fā)數(shù)據(jù)除以時鐘周期數(shù)就可以得到活動信息。例如，一個存儲器電路的內(nèi)核的活動性可能是0.02%，而一個數(shù)據(jù)路徑可能接近5%。對與電源網(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)計師必須判斷整個電源網(wǎng)格上流動的平均電流，以便評估給定設(shè)計的可靠性風(fēng)險。只是判斷被隔離了的模塊平均行為是不夠的，因為模塊在全芯片流程中可能只是周期性的工作。此外，即使對電源網(wǎng)格中的一部分作改動也會對全局有影響。數(shù)據(jù)壓縮也是不能使用的，因為數(shù)據(jù)壓縮本身可能會掩蓋某些真正的EMI問題。因此除非整個芯片作為一個實體得到了全面的驗證，否則仍然存在EMI預(yù)測精度不足的風(fēng)險。任何用作該用途的工具必須具備分析百萬個電阻網(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關(guān)鍵的設(shè)計驗證部分。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)計變得異常復(fù)雜。在較早以前，對電源網(wǎng)格進行DRC、LVS和手工計算即可確保得到一個完美的電源網(wǎng)格設(shè)計，花較多的精力設(shè)計電源網(wǎng)格在當(dāng)時被認為是一種可以接受的解決方案。而在當(dāng)今激烈競爭的市場上，過多地考慮電源網(wǎng)格會導(dǎo)致良品率下降，設(shè)計缺乏競爭性，而考慮欠妥也會導(dǎo)致出帶失敗、流片反復(fù)和代價高昂的現(xiàn)場故障－終究無法兩全其美。