IR Drop分析之Redhawk分析流程

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1.IR drop的定义

IR drop是指在集成电路中电源和地网络上电压下降和升高的一种现象。随着半导体工艺的不断演进，金属互连线的宽度越来越窄，导致电阻值不断变大（供电电压也越来越小），IR drop的效应越来越明显。因此，现在的芯片最后都把IR drop的分析做为芯片signoff的一个必要步骤。业界的signoff工具大部分采用的是Redhawk。

2.IR Drop的种类

IR drop主要分为两种。一种是静态的IR drop，另外一种则是动态的IR drop。

静态IR drop现象产生的原因主要是电源网络的金属连线的分压，是由于金属连线的自身电阻分压造成的。电流经过内部电源连线的时候产生电源压降。所以静态IR drop主要跟电源网络的结构和连线细节有关。因此静态IR drop主要考虑电阻效应，分析电阻的影响即可。

动态IR drop是电源在电路开关切换的时候电流波动引起的电压压降。这种现象产生在时钟的触发沿，时钟沿跳变不仅带来自身的大量晶体管开关，同时带来组合逻辑电路的跳变，往往在短时间内在整个芯片上产生很大的电流，这个瞬间的大电流引起了IR drop现象。同时开关的晶体管数量越多，越容易触发动态IR drop现象。

3.静态IR Drop分析的流程
lef是指Std cell，IP，Memory，io，bond pad，子模块的lef。除了子模块的lef外，其他fab厂都会提供对应的文件。子模块的lef可以由Milkyway来生成。这里需要注意的是tech lef必须写在lef list中的第一个。lib是指design中所用到的standard cell，memory，ip，io等子模块的lib文件，这些文件fab厂或者Vendor均有提供。

ploc文件也称为PAD 文件，其中包含design中所有的供电点信息，比如power pad，center pad的instance名字，坐标位置，layer层次以及power net信息。spef文件为数字后端实现后抽取RC用来跑STA的spef文件。

tech文件是指Apache的tech文件，这个文件一般可以通过ircx2tech来产生。

具体命令如下：

ircx2tech -i rc_ircx.rc_cworst.ircx -o rc_ircx.rc_cworst.tech -v max -m IRCX2tech.mapping

Timing文件可以通过STA中的PT session来产生对应的Timing文件。具体产生步骤如下：

restore_session top.pt_session

source pt2timing.tcl

getSTA *

VCD(Value Change Dump)文件一般由数字前端工程师提供。VCD文件是IEEE1364标准(verilog hdl语言标准)中定义的一种ASCII文件。它主要包含了头信息，变量的预定义和变量值的变化信息。正是因为它包含了信号的变化信息，就相当于记录了整个仿真的信息，我们可以用这个文件来再现仿真，也就能够显示波形。因为VCD是 Verilog HDL语言标准的一部分，因此所有的verilog的仿真器都要能够实现这个功能，也要允许用户在verilog代码中通过系统函数来dump VCD文件。我们可以通过Verilog HDL的系统函数$dumpfile 来生成波形，通过$dumpvars的参数来规定我们抽取仿真中某些特定模块和信号的数据。

因为VCD记录了信号的完整变化信息，我们还可以通过VCD文件来估计设计的功耗，而这一点也是其他波形文件所不具备的。 PrimeTime PX （Prime Power，这个工具其实是功耗分析的Signoff工具）都可以通过输入网表文件，带功耗信息的库文件以及仿真后产生的VCD文件来实现功耗分析。

由于静态IR Drop分析是基于power平均分布在每个instance上，因此我们在分析IR Drop前还需要给design中各个子模块指定一个预估的功耗值。这个功耗值的确定需要根据以往的项目经验或者实测功耗值，额外再添加点margin。这个功耗值如果设置不合理，分析出来的结果也是不具备参考价值的。另外，还需要设置合理的toggle rate值。

参考脚本如下：

# Setup anlysis mode

setup analysis_mode static

# Design Importing

import gsr top.gsr

setup design

# Power calculation

perform pwrcalc

# Extract PG RC

perform extraction -power -ground

perform gridcheck

#Perform anlysis

perform analysis -static

#perform emcheck -mode avg

#run Redhawk explorer

explore design

# -constrAInt_file "cons.rpt"

#save database

export db static_ir.db


4.动态IR Drop分析的流程


在项目前期，由于数字后端实现的database没有ready，后仿可能也没有时间做，所以此时动态IR Drop的分析一般都是基于Vectorless。而项目后期都是需要基于某个场景下，比如max power，去产生对应的VCD，然后再去做基于VCD的动态IR drop分析。基于VCD动态IR drop的分析一般可以不指定各个子模块的功耗值，工具可以从VCD中获取对应的power值，如果没有对应的功耗值，则采用用户设置的值。

参考脚本：

# Setup anlysis mode

setup analysis_mode dynamic

# Design Importing

import gsr top.gsr

setup design

# Power calculation

perform pwrcalc

# Extract PG RC

perform extraction -power -ground -c

perform gridcheck

#Perform anlysis

perform analysis -dynamic

#perform emcheck -mode avg

#run Redhawk explorer

explore design

# -constraint_file "cons.rpt"

#save database

export db dynamic_ir.db



5.IR Drop的影响

性能下降电压降低后，gate的开关速度变慢，性能降低。因此，对于高性能的设计，必须将IR Drop控制在很小的范围内。芯片功能错误在极端的情况下功能也会受影响的。在深亚微米下，如果power network做的不够好，然后碰上了很不好的case，IR drop在某个局部区域特别大（特别是动态IR drop），从而导致STA阶段signoff的timing 与实际情况不一致（考虑OCV仍然无法cover design的要求），导致setup或者hold的违例。setup的违例，可以通过抬高电压来提升频率，但是代价是功耗上去了，而且如果动态IR drop不够robust，可能通过抬电压，setup能提升的空间也有限。而一旦出现hold违例，那芯片就无法正常工作。因此在先进工艺中，IR drop的影响特别大，需要引起各位的高度重视。

6.改善IR drop的方法

提高power mesh密度

增加power switch cell 数量

插足够多的decap cell（含decoupling capacitance）

将同时翻转的寄存器摊开些摆放

少用 SLVT cell（在place 阶段禁用 SLVT，后续再打开；或者在 PR 阶段禁用，pt 修时序阶段再打开）