IR 壓降正成為越來越多設(shè)計中日益棘手的問題，這表明供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）未能在需要時為設(shè)計的某些部分提供足夠的電流。不幸的是，這個問題沒有簡單的解決辦法。

過去，當(dāng)電壓高得多時，微小的電壓下降并不重要。與此同時，導(dǎo)線也粗得多，電阻更低。最后，開關(guān)速度較慢，產(chǎn)生的電流尖峰也較小。然而，在近期的技術(shù)節(jié)點上，所有這些情況都變得更糟，結(jié)果是越來越多的設(shè)計出現(xiàn)了時序問題。

「這曾經(jīng)是一個次要問題，」現(xiàn)隸屬于新思科技的 Ansys 產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Marc Swinnen 說?！脯F(xiàn)在你面臨的是，非?？焖?、巨大的電流尖峰要通過非常細(xì)的導(dǎo)線，而對任何電壓降的容忍度都非常低。增加設(shè)計裕量（Margining）曾經(jīng)是簡單的出路，但在空間和性能上，增加裕量的代價都非常高昂。」

為了解決這個問題，需要更多地關(guān)注供電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。「在進(jìn)行布局布線之前，你并不知道邏輯門會被放在哪里，而且它們也并非完全相同，」西門子數(shù)字工業(yè)軟件的產(chǎn)品管理高級總監(jiān) Joe Davis 說。

因此，供電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計需要在所有細(xì)節(jié)都確定之前開始?！富镜募軜?gòu)是在單元行周圍設(shè)置一個電源環(huán)，然后單元行從邊緣接入環(huán)網(wǎng)，」Ansys 的 Swinnen 解釋說?！鸽S著電流沿著單元行流動，電壓會下降。在行的中間，你會遇到最深的壓降。為了支持電壓，你需要在環(huán)網(wǎng)上拉伸電源帶（power straps）。從環(huán)的頂部到底部拉伸一條帶，在它穿過的每一行，你都通過一個過孔連接到本地電源軌以支撐它。這樣就形成了一個網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。電源帶的數(shù)量越多，間距越密，電壓供應(yīng)就越好?！?/p>

熱問題與背面供電

如果導(dǎo)線的電阻更高，還會產(chǎn)生第二個問題。「IR 壓降的問題在于熱，」Empower Semiconductor 的客戶應(yīng)用工程總監(jiān) Luca Vassalli 說?！溉绻须娏髁鬟^那個電阻，就會產(chǎn)生功率。它產(chǎn)生的功率與電流的平方成正比。隨著電流的增加，降低那個電阻變得非常重要。如今的處理器，其核心拉動的電流高達(dá) 1000 安培。如果你有 1000 安培流過 100 微歐姆，那就損失了 100 瓦。而 100 瓦可能是一個處理器功率的 10%?！?/p>

業(yè)界正嘗試通過將電源線移到裸片的背面來解決這個問題。「這個概念是把又大又粗的電源線移開，」西門子的 Davis 說?！高@確實有幫助，但又產(chǎn)生了另一個問題。不是時序問題，而是熱問題。電源線移開后，你可以塞進(jìn)更多的東西，器件可以靠得更近。你可以讓它們運行得更快，但當(dāng)這種情況發(fā)生時，它們會變得更熱。導(dǎo)線的可靠性會因熱量而呈指數(shù)級下降，所以溫度越高，電阻越高，IR 壓降越大，可靠性越低?！?/p>

層級化問題

芯片工程師關(guān)注的是裸片上的走線，但該裸片可能位于一個中介層上，在封裝內(nèi)，在一個系統(tǒng)中的一塊電路板上，而主電源就在那里。這就產(chǎn)生了一條長路徑，需要被理解?！冈谛酒⒎庋b、電路板這個問題上，我們看到了很多問題，」弗勞恩霍夫集成電路研究所（Fraunhofer IIS）高效電子部門主管 Andy Heinig 說?！笡]有人能真正回答如何對芯片、封裝、電路板進(jìn)行供電驗證的問題。這真的是一個未解決的問題?！?/p>

目標(biāo)是在需要的時候，以最少的損耗將能量輸送到需要的地方?！肝覀儼l(fā)現(xiàn)最好的折衷方案是把電壓調(diào)節(jié)器放在封裝外，但盡可能靠近封裝，因此放在 PCB 的背面。要真正實現(xiàn)封裝內(nèi)的集成，還需要另一層級的改進(jìn)，但關(guān)于集成電壓調(diào)節(jié)器（IVR）進(jìn)入封裝的討論很多，」Empower 的 Vassalli 說。

在封裝內(nèi)部，許多最大的設(shè)計將包括一個中介層?！钢薪閷痈鼘捤?，」Swinnen 說?！杆ǔＪ窍?16 納米或 35 納米這樣的技術(shù)，但你需要傳輸更大的功率。在中介層上，并通過微凸點，你不僅需要為這個芯片供電，可能還需要為它上面的芯片供電。它必須通過硅通孔（TSV）和這些微小的凸點來饋電。數(shù)百瓦的功率必須通過這些微小的連接傳輸。這更復(fù)雜，也不同。有新的因素加入進(jìn)來，但同樣的問題也適用?！?/p>

安全可靠性與汽車行業(yè)的挑戰(zhàn)

當(dāng)涉及到安全性和可靠性時，這些問題變得更大?！赣捎诠δ馨踩囊?，我們在汽車領(lǐng)域遇到了問題，而這些要求完全不清楚，」弗勞恩霍夫的 Heinig 說?！改阍诠δ苄苑矫鏋楣δ馨踩冻隽巳绱硕嗟呐?，然后我們在供電網(wǎng)絡(luò)上又有很多不確定性。我們有來自供電網(wǎng)絡(luò)的單點故障?！?/p>

汽車行業(yè)在這個領(lǐng)域面臨許多問題?！钙囆袠I(yè)正開始向先進(jìn)節(jié)點邁進(jìn)，他們面臨一個問題，因為如果他們遵循所有的代工廠規(guī)則，他們就無法設(shè)計出有競爭力的芯片，」Davis 說?！笡]有解決方案空間，所以他們正在審視代工廠使用的電遷移規(guī)則的嚴(yán)格性。今天使用的規(guī)則是建立在布萊克方程（Black's equations）上的，但那些方程忽略了它是一個網(wǎng)絡(luò)的事實。它是一個供電網(wǎng)絡(luò)。只有在少數(shù)地方，我只有一條路徑向一個邏輯門供電。如果一部分電阻有小幅增加，那部分電力將通過另一條路徑傳輸。一個真正基于物理的可靠性分析表明，布萊克方程和當(dāng)前的模型不僅給出悲觀的結(jié)果，在許多情況下還給出完全錯誤的結(jié)果?！?/p>

模型與仿真

為了進(jìn)行任何形式的分析，都需要模型?！窫MIR（電遷移與 IR 壓降）中的一切都是一個近似游戲，因為最終，要獲得最準(zhǔn)確的答案，我們需要對整個芯片及其寄生效應(yīng)進(jìn)行完整的電氣仿真，」Davis 說?！高@可能是整個過程中成本最高的一步。你必須為早期分析對其進(jìn)行近似。而那些模型是基于他們在設(shè)計、架構(gòu)和分區(qū)的歷史經(jīng)驗建立的。」

早期分析可以省去很多麻煩?！冈缙诜治鲈诰徑馀c供電網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的風(fēng)險方面起著關(guān)鍵作用，影響著分區(qū)、布局規(guī)劃和電源網(wǎng)格拓?fù)涞燃軜?gòu)決策，」Ansys 的 Takeo Tomine 說?！高@些可以避免代價高昂的后期重新設(shè)計。通過在布局最終確定前盡早納入電源完整性檢查，設(shè)計者可以主動識別易受 IR 壓降影響的區(qū)域，并相應(yīng)調(diào)整塊的放置、布線通道和去耦電容的分配?！?/p>

后期檢測到的問題可能代價高昂?！窱R 壓降分析的難點之一就是它很難修復(fù)，因為當(dāng)你檢測到并分析它時，你已經(jīng)在流程中走得太遠(yuǎn)了，你的時序已經(jīng)平衡好了，你真的不想為了修復(fù) IR 壓降而開始弄亂你的設(shè)計。你需要在設(shè)計的早期，在布局階段就進(jìn)行良好的 IR 壓降分析，那時你仍然可以輕松地修改布局，」Swinnen 說。

結(jié)論

沒有一個穩(wěn)健的供電網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)代設(shè)計將會有顯著的 IR 壓降問題。與此同時，設(shè)計中越來越多的路徑正變得關(guān)鍵，這意味著如果-沒有進(jìn)行深入的分析，芯片將無法在目標(biāo)頻率下運行，或者干脆失效。

行業(yè)尚未開發(fā)出既能滿足所有簽核需求，又能使用一致的模型和場景進(jìn)行早期分析的方法。為滿足這些需求，正有更多的投資投入，而這一切始于回歸基礎(chǔ)物理學(xué)。有了這個堅實的基礎(chǔ)，更好的解決方案才可能實現(xiàn)。