一．什么是DC IR Drop

DC即Direct Current，直流電，電流方向不隨時間發生改變；IR Drop中的I指電流，R指電阻，I與R相乘即為電壓，IR Drop就是電壓降；由電源地走線、平面及去耦電容等構成的電源分配系統，由于存在寄生電阻、寄生電感、寄生電容等寄生參數，其阻抗并不為零。當芯片工作電流由電源輸出，流經電源分配網絡到達芯片端時，就會在芯片端造成一定的直流壓降。

隨著半導體工藝的不斷演進，集成電路（IC）的供電電壓持續降低，器件的工作電流持續增大，金屬互連線的寬度越來越窄，而R=ρL/S (其中，ρ表示導線材料的電阻率，是由其本身性質決定，L表示導線的長度，S表示導線的橫截面積)，電阻值不斷變大， IR drop效應越來越明顯。該問題使得電源無法為集成電路提供足夠的電壓，可能導致集成電路工作不穩定。

二．IR Drop分類

靜態IR drop

靜態IR drop現象產生的原因主要是電源網絡的金屬連線分壓，電流經過內部電源連線的時候產生電源壓降。靜態壓降的計算不考慮電流隨時間的變化，或者說以很長一段時間內的平均電流代指負載的電流。電阻值的計算也相對簡單，不會過多考慮電流趨膚效應對電阻的影響，可以由電源網絡抽取出電阻值，并認為它也是恒定不變的。靜態IR drop主要跟電源網絡的結構和連線細節有關，因此靜態IR drop主要考慮電阻效應，分析電阻的影響即可。

動態IR drop

動態IR drop是電源在電路開關切換的時候電流波動引起的電壓壓降。這種現象產生在時鐘的觸發沿，時鐘沿跳變不僅帶來自身的大量晶體管開關，同時帶來組合邏輯電路的跳變，往往在短時間內在整個芯片上產生很大的電流，這個瞬間的大電流引起了IR drop。同時開關的晶體管數量越多，越容易觸發動態IR drop現象。

IR drop可能是局部或全局性的。當相鄰位置一定數量的邏輯門單元同時有邏輯翻轉動作時，就引起局部IR drop現象，而電源網格某一特定部分的電阻值特別高時，例如下圖中的R14遠遠超出預計時，也會導致局部IR drop；當芯片某一區域內的邏輯動作導致其它區域的IR drop時，稱之為全局現象。

電源網絡等效示意圖

三．IR Drop有什么危害

IR drop問題的表現常常類似一些時序甚至可能是信號的完整性問題。如果芯片的全局IR drop過高，則邏輯門就有功能故障，使芯片徹底失效，盡管邏輯仿真顯示設計是正確的。而局部IR drop比較敏感，它只在一些特定的條件下才可能發生，例如所有的總線數據同步進行翻轉，因此芯片會間歇性的表現出一些功能故障。

而IR drop比較普遍的影響就是降低了芯片的速度。試驗表明，邏輯門單元上5%的IR drop將使正常的門速度降低15%。如果IR drop發生在時序緊張的路徑上，那么后果會更加嚴重。

IR drop還存在潛在的熱危害：布線時，電源平面被其他層的鉆孔破壞，導致完整的電源平面變得支離破碎。在該區域上方通常擺放高度集成的IC，當大電流通過，電阻過高時，導致該區域溫度升高，影響整體IC散熱。有可能會導致性能變差（增加熱噪聲），最糟的情況會導致宕機。

四．為什么要DC IR Drop仿真

隨著半導體工藝的提高，大規模集成電路的大電流、低電壓設計使得直流壓降加大，減小了交流噪聲容限,加大電源完整性（PI）設計難度;同時電流密度引起的電遷移會引起可靠性問題。

因此要進行 DC IR drop 分析（雖然 PI 問題是瞬態問題，但電源的 DC 分析是第一步）。對于DC分析，需要放置合理的電壓源與電流源，從而可從結果中直觀的觀察電流走向以及壓降。

可根據仿真流程導圖，一步一步的去設置完成仿真。仿真的關鍵，在于對電路回路的理解以及所放置的電壓與電流源的合理性，對于去耦電容的選擇，則需要根據諧振頻率計算，從而選取有效濾波的容值。

所有的電源供電芯片在相應的設計下都有一個標稱的輸出電壓與電壓波動范圍，每個分立器件也有標稱的正常工作的電壓與上下容限范圍。需要根據這些給定條件結合仿真結果來判斷電源分配系統設計是否符合要求。

芯片內部IR Drop問題可以通過仿真手段加以分析，目前主流做法包括靜態分析和動態分析。靜態分析時，一般只考慮寄生電阻即可；動態分析時還要考慮寄生電容和寄生電感的影響。

目前對于130nm及以上的設計，靜態IR Drop仍然廣泛使用，能有效分析出由于power rail開路、via丟失、power straps不足、電源線寬度不足等等造成的IR Drop。后端設計可利用靜態IR Drop先將IR Drop優化到2%-5%以內（具體根據實際項目決定)，然后利用動態分析瞬態IR Drop。

結論

DC IR Drop和互連阻抗、電源的電流大小有直接的關系，在走線時按照常規的要求是1A對應1mm寬的走線，可以滿足電源通流要求。但是如果電源比較多，在板上有一些瓶頸區域，有時會很難檢查出來。這時需要一些電源仿真來查看哪些瓶頸和不滿足要求的地方。

在IRDrop的仿真中，可以看出電源設計哪里壓降較多，哪里壓降較少，也可以判斷電流密度是否過大，導致copper過熱等。