浅谈Power Signoff

Power Analysis是芯片设计实现中极重要的一环，因为它直接关系到芯片的性能和可靠性。Power Analysis 需要Timing Analysis 产生包含频率、transition 等时序信息的 Timing File，也需要包含Net Capacitance和Resistance信息的SPEF文件，功耗分析工具根据timing file 和RC value计算功耗或者分析IR-Drop/EM。

在介绍数字后端Power Signoff Flow之前，先大概论述一下芯片的功耗构成和基本原理。芯片功耗主要分为Static Power （静态功耗）和Dynamic Power（动态功耗）两大类。动态功耗来自于芯片晶体管的开关翻转，它取决于芯片的时钟频率和switching activity。静态功耗是指芯片晶体管的LeakagePower（泄漏功耗）。

进一步细分，动态功耗可以分为Internal Power和Switching Power.

• Switching power是由于芯片内instance 上的逻辑翻转对有效负载电容进行充放电所消耗的功耗。公式如下，其中，a是switching activity，f是clock frequency，Ceff是有效负载电容，Vdd是芯片电源电压。

• Internal power是由于晶体管信号传输的某一个瞬间，PMOS和NMOS会同时导通的短路电流消耗的功耗。对于更低阈值电压或者transition time大的晶体管internal power会更大。
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• 静态功耗，即漏电功耗（leakage power）。漏电流早期的CMOS工艺里是可忽略的，但是随着近年来器件尺寸越来越小以及阈值电压的减小使Leakage current在功耗分析中不能再被忽视。Leakage power主要由以下几个方面组成

推荐一篇论文：Leakage Current Mechanisms and Leakage Reduction Techniques in Deep-Submicrometer CMOS Circuits。作者是KaushikRoy.

Power Signoff

当今主流的power signoff 工具有Cadence的Voltus 和 ANSYS公司的Redhawk。限于作者工作经验，本文就基本flow 做一简单概述。

Power signoff 主要包括静态、动态功耗分析和Signal-EM分析以及基于芯片封装模型的SIPI分析等。

静态功耗分析（Static IR-drop/EM Power Analysis）：这里的静态功耗分析并不是leakage 功耗，而是指一种基于芯片内部电路在直流工作模式下的功耗分析。

• 芯片上的PG网络在静态功耗分析中会近似于电阻网络

• 而且流经各个instance的电流都认为是直流电流。

• 均值电流都是在每个instance上算的，利用欧姆定律即可直接算出节点电压。电迁移值Electromigration 在电源网络分析之后会得出金属线网络的电流密度，再根据对应工艺的Tech file里对于Electromigration的极限电流密度的约束，便可以得出整个芯片的电迁移报告。报告里所有电迁移值都用百分比来表示，一般而言都是用100%来signoff芯片电迁移是否可以满足极限值。<这里涉及到不同工艺下的EM table和Chip Reliability 的内容;对于电迁移概念的理解，还有一个概念是Blech Length和Black Equation；后续会做相关分享。

• Static IR/EM Analysis：得到芯片功耗之后，会去分析IR-drop和EM，static模式下主要check 芯片的PowerMesh 够不够强壮，有没有power/ground mesh 的short 和open；再就是memory 的channel 处standard cell 是否有足够的metal覆盖。

Static IR/EM Analysis：得到芯片功耗之后，会去分析IR-drop和EM，static模式下主要check 芯片的PowerMesh 够不够强壮，有没有power/ground mesh 的short 和open；再就是memory 的channel 处standard cell 是否有足够的metal覆盖。

动态功耗分析（Dynamic IR-drop/EM Power Analysis）

• On-chip的PG mesh 被模型化成RLC网络；

• 对于有开关和状态翻转的instance cell，其电流模型是时间和电压值的函数；

• 对于没有翻转的instance cell，会分析其中有效的decoupling capacitance以及ESR (Effective Series Resistance)和leakage current。

• 每个instance的电流模型是PWL Current Model；

• Dynamic Voltage Drop是通过在每一个电路节点的瞬态分析得到的

对于Dynamic IR-drop/EM, 要特别说一下APL file和Decoupling Capacitance。

• APL file：通常由foundary 提供，也可以用工具自带的utility产生。APL file对于dynamic IR-drop analysis会更准确，对于device 内部的decoupling 电容可以分析进去，dynamic结果看起来更符合design实际情况。

• Decoupling Capacitance：Decap实际上就是在Vdd和Gnd之间加入的隔离电容，可以去除很多由电源上的噪声而引起的Voltage Drop。在debug dynamic IR-drop时需要结合decap density map进行比对，看是不是这些issue points处的decap density过低。decap最好尽可能分布均匀而且在一些敏感基本单元附近有足够的decap cells。