IR 壓降正成為越來越多設計中日益棘手的問題，這表明供電網絡（PDN）未能在需要時為設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，當電壓高得多時，微小的電壓下降并不重要。與此同時，導線也粗得多，電阻更低。最后，開關速度較慢，產生的電流尖峰也較小。然而，在近期的技術節點上，所有這些情況都變得更糟，結果是越來越多的設計出現了時序問題。

「這曾經是一個次要問題，」現隸屬于新思科技的 Ansys 產品營銷經理 Marc Swinnen 說。「現在你面臨的是，非常快速、巨大的電流尖峰要通過非常細的導線，而對任何電壓降的容忍度都非常低。增加設計裕量（Margining）曾經是簡單的出路，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，需要更多地關注供電網絡的設計。「在進行布局布線之前，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，」西門子數字工業軟件的產品管理高級總監 Joe Davis 說。

因此，供電網絡的設計需要在所有細節都確定之前開始。「基本的架構是在單元行周圍設置一個電源環，然后單元行從邊緣接入環網，」Ansys 的 Swinnen 解釋說。「隨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，你需要在環網上拉伸電源帶（power straps）。從環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狀結構。電源帶的數量越多，間距越密，電壓供應就越好。」

熱問題與背面供電

如果導線的電阻更高，還會產生第二個問題。「IR 壓降的問題在于熱，」Empower Semiconductor 的客戶應用工程總監 Luca Vassalli 說。「如果有電流流過那個電阻，就會產生功率。它產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 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%。」

業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。「這確實有幫助，但又產生了另一個問題。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，但當這種情況發生時，它們會變得更熱。導線的可靠性會因熱量而呈指數級下降，所以溫度越高，電阻越高，IR 壓降越大，可靠性越低。」

層級化問題

芯片工程師關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，在一個系統中的一塊電路板上，而主電源就在那里。這就產生了一條長路徑，需要被理解。「在芯片、封裝、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。「沒有人能真正回答如何對芯片、封裝、電路板進行供電驗證的問題。這真的是一個未解決的問題。」

目標是在需要的時候，以最少的損耗將能量輸送到需要的地方。「我們發現最好的折衷方案是把電壓調節器放在封裝外，但盡可能靠近封裝，因此放在 PCB 的背面。要真正實現封裝內的集成，還需要另一層級的改進，但關于集成電壓調節器（IVR）進入封裝的討論很多，」Empower 的 Vassalli 說。

在封裝內部，許多最大的設計將包括一個中介層。「中介層更寬松，」Swinnen 說。「它通常是像 16 納米或 35 納米這樣的技術，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。數百瓦的功率必須通過這些微小的連接傳輸。這更復雜，也不同。有新的因素加入進來，但同樣的問題也適用。」

安全可靠性與汽車行業的挑戰

當涉及到安全性和可靠性時，這些問題變得更大。「由于功能安全的要求，我們在汽車領域遇到了問題，而這些要求完全不清楚，」弗勞恩霍夫的 Heinig 說。「你在功能性方面為功能安全付出了如此多的努力，然后我們在供電網絡上又有很多不確定性。我們有來自供電網絡的單點故障。」

汽車行業在這個領域面臨許多問題。「汽車行業正開始向先進節點邁進，他們面臨一個問題，因為如果他們遵循所有的代工廠規則，他們就無法設計出有競爭力的芯片，」Davis 說。「沒有解決方案空間，所以他們正在審視代工廠使用的電遷移規則的嚴格性。今天使用的規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絡的事實。它是一個供電網絡。只有在少數地方，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，布萊克方程和當前的模型不僅給出悲觀的結果，在許多情況下還給出完全錯誤的結果。」

模型與仿真

為了進行任何形式的分析，都需要模型。「EMIR（電遷移與 IR 壓降）中的一切都是一個近似游戲，因為最終，要獲得最準確的答案，我們需要對整個芯片及其寄生效應進行完整的電氣仿真，」Davis 說。「這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行近似。而那些模型是基于他們在設計、架構和分區的歷史經驗建立的。」

早期分析可以省去很多麻煩。「早期分析在緩解與供電網絡相關的風險方面起著關鍵作用，影響著分區、布局規劃和電源網格拓撲等架構決策，」Ansys 的 Takeo Tomine 說。「這些可以避免代價高昂的后期重新設計。通過在布局最終確定前盡早納入電源完整性檢查，設計者可以主動識別易受 IR 壓降影響的區域，并相應調整塊的放置、布線通道和去耦電容的分配。」

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

結論

沒有一個穩健的供電網絡，現代設計將會有顯著的 IR 壓降問題。與此同時，設計中越來越多的路徑正變得關鍵，這意味著如果-沒有進行深入的分析，芯片將無法在目標頻率下運行，或者干脆失效。

行業尚未開發出既能滿足所有簽核需求，又能使用一致的模型和場景進行早期分析的方法。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物理學。有了這個堅實的基礎，更好的解決方案才可能實現。