2018-02-27
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隨著芯片設(she)計中的(de)(de)更(geng)小的(de)(de)節點(dian)(dian)技(ji)(ji)術的(de)(de)推廣普及(ji)，線寬(kuan)隨著晶體(ti)管尺(chi)寸變得更(geng)薄。這使得在16nm及(ji)以下的(de)(de)技(ji)(ji)術節點(dian)(dian)上，導(dao)線電(dian)阻(zu)更(geng)占主導(dao)地位。這種增加的(de)(de)電(dian)阻(zu)和金屬線寬(kuan)度(du)的(de)(de)減小引入了許多電(dian)遷移和IR壓降(jiang)的(de)(de)問(wen)題(ti)。這兩個問(wen)題(ti)在縮(suo)短電(dian)子(zi)設(she)備的(de)(de)壽命(ming)方面起著重要作用，是任何技(ji)(ji)術節點(dian)(dian)較低的(de)(de)電(dian)子(zi)設(she)備功能失效的(de)(de)原因。
在本(ben)文中，我們(men)將討論電遷移和IR下降(jiang)的問(wen)題，以及防(fang)止(zhi)這些問(wen)題在電子設備中發生的技(ji)術(shu)。
緊(jin)湊型電(dian)子(zi)設備的(de)技術趨勢和(he)需求要求采(cai)用現(xian)代集成(cheng)電(dian)路設計(ji)。電(dian)子(zi)設備制造商正在(zai)成(cheng)倍地(di)降低(di)金屬(shu)互連線(xian)的(de)寬度。因此，互連線(xian)的(de)橫(heng)截面(mian)積正在(zai)減小。此外(wai)，由(you)于(yu)功能(neng)集成(cheng)和(he)設備互連的(de)不斷增加(jia)，芯片上會有更多的(de)連線(xian)。因此，，在(zai)小于(yu)16nm的(de)節點(dian)上工作的(de)任何器件(jian)在(zai)一段時(shi)間(jian)內容易受到性能(neng)問題的(de)影響，這是由(you)于(yu)不能(neng)通過(guo)成(cheng)比例的(de)電(dian)流，導致電(dian)遷移和(he)IR下降的(de)問題。
什么是電遷移？
電遷移(yi)(yi)（EM）是一(yi)種分子(zi)(zi)位移(yi)(yi)，是由于導(dao)電電子(zi)(zi)和離子(zi)(zi)在一(yi)段時間內的動量轉(zhuan)移(yi)(yi)而(er)引(yin)起的。當電流密度較高時會(hui)(hui)發(fa)生這(zhe)種現象，這(zhe)會(hui)(hui)導(dao)致金屬離子(zi)(zi)向(xiang)電子(zi)(zi)流方向(xiang)漂(piao)移(yi)(yi)。EM通常發(fa)生在現場設備部署多年之后。
由于電(dian)(dian)(dian)遷移效應(ying)，金屬線可(ke)(ke)能會爆裂并短路(lu)(lu)(lu)。EM會增加導(dao)線電(dian)(dian)(dian)阻(zu)，這會導(dao)致(zhi)電(dian)(dian)(dian)壓下降(jiang)，從而導(dao)致(zhi)設備(bei)降(jiang)速(su)。由于短路(lu)(lu)(lu)或(huo)開(kai)路(lu)(lu)(lu)，它還可(ke)(ke)能導(dao)致(zhi)電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)永久性故障。EM進入(ru)帶溫度的(de)正反饋回(hui)路(lu)(lu)(lu)（焦(jiao)耳(er)加熱）。下面(mian)是如何(he)用布萊克方程(cheng)(Black’s Equation)求金屬線的(de)平均失效時間（MTTF）。
導線的電遷(qian)移可靠性：
A = 橫截面積(ji)依賴常數
Jn = 電流密度
E a = 活化(hua)能(neng)（Activation energy ）
k = 玻爾茲曼常數
T = 開(kai)爾文溫度
N = 比例因(yin)子(通(tong)常根據黑色設置為2)
什么是IR Drop？
IR壓(ya)降(jiang)(jiang)是(shi)指出現(xian)在集成電(dian)路中(zhong)電(dian)源(yuan)和地網絡(luo)上(shang)電(dian)壓(ya)下(xia)降(jiang)(jiang)或升高(gao)的(de)(de)一(yi)(yi)種(zhong)現(xian)象。隨著半導(dao)體工藝的(de)(de)演進金屬(shu)互連(lian)線的(de)(de)寬度(du)越(yue)來越(yue)窄，導(dao)致它的(de)(de)電(dian)阻值上(shang)升，所以在整(zheng)個芯片范圍內將(jiang)存(cun)在一(yi)(yi)定的(de)(de)IR壓(ya)降(jiang)(jiang)。IR壓(ya)降(jiang)(jiang)的(de)(de)大(da)小決定于從電(dian)源(yuan)PAD到所計(ji)(ji)(ji)(ji)算的(de)(de)邏(luo)輯(ji)(ji)門(men)(men)單(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)之間的(de)(de)等效電(dian)阻的(de)(de)大(da)小SoC設計(ji)(ji)(ji)(ji)中(zhong)的(de)(de)每一(yi)(yi)個邏(luo)輯(ji)(ji)門(men)(men)單(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)的(de)(de)電(dian)流都(dou)會(hui)對設計(ji)(ji)(ji)(ji)中(zhong)的(de)(de)其它邏(luo)輯(ji)(ji)門(men)(men)單(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)造(zao)成不同程度(du)的(de)(de)IR壓(ya)降(jiang)(jiang)。如果連(lian)接(jie)到金屬(shu)連(lian)線上(shang)的(de)(de)邏(luo)輯(ji)(ji)門(men)(men)單(dan)元(yuan)(yuan)(yuan)同時(shi)(shi)有翻轉動作(zuo)，那(nei)么因(yin)此(ci)而導(dao)致的(de)(de)IR壓(ya)降(jiang)(jiang)將(jiang)會(hui)很大(da)。然(ran)而，設計(ji)(ji)(ji)(ji)中(zhong)的(de)(de)某些部分的(de)(de)同時(shi)(shi)翻轉又是(shi)非常重要的(de)(de)，例如時(shi)(shi)鐘網絡(luo)和它所驅動的(de)(de)寄(ji)存(cun)器，在一(yi)(yi)個同步(bu)設計(ji)(ji)(ji)(ji)中(zhong)它們必(bi)須同時(shi)(shi)翻轉。因(yin)此(ci)，一(yi)(yi)定程度(du)的(de)(de)IR壓(ya)降(jiang)(jiang)是(shi)不可避免的(de)(de)。IR壓(ya)降(jiang)(jiang)有靜態(tai)壓(ya)降(jiang)(jiang)和動態(tai)壓(ya)降(jiang)(jiang)兩種(zhong)類型。
靜態(tai)IR壓降：
靜態(tai)(tai)IR壓(ya)降(jiang)是(shi)設(she)計的(de)平均(jun)壓(ya)降(jiang)。它取(qu)決于將電源連接到(dao)相應標準單元的(de)電源網絡的(de)RC。平均(jun)電流完全(quan)取(qu)決于時間段。柵(zha)極溝道漏(lou)電流是(shi)靜態(tai)(tai)IR壓(ya)降(jiang)的(de)主要原因。
Vstatic_drop = Iavg x Rwire
動態IR壓(ya)降：
動(dong)態(tai)(tai)IR壓(ya)(ya)(ya)降(jiang)是(shi)由(you)于晶(jing)體管(guan)的(de)(de)高頻開關(guan)通斷而引起的(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)下降(jiang)。當由(you)于芯片的(de)(de)開關(guan)活動(dong)而對來(lai)自(zi)電(dian)(dian)源的(de)(de)電(dian)(dian)流的(de)(de)需求增加時(shi)(shi)(shi)，會(hui)(hui)發(fa)生(sheng)(sheng)這(zhe)種(zhong)情(qing)況。動(dong)態(tai)(tai)IR壓(ya)(ya)(ya)降(jiang)依(yi)賴(lai)于邏輯的(de)(de)切換時(shi)(shi)(shi)間(jian)，對時(shi)(shi)(shi)鐘周(zhou)期(qi)的(de)(de)依(yi)賴(lai)性較(jiao)小。動(dong)態(tai)(tai)IR壓(ya)(ya)(ya)降(jiang)是(shi)對大量電(dian)(dian)路開關(guan)同(tong)時(shi)(shi)(shi)產生(sheng)(sheng)的(de)(de)IR壓(ya)(ya)(ya)降(jiang)引起的(de)(de)峰值電(dian)(dian)流需求進行(xing)評估。當前的(de)(de)需求可(ke)能是(shi)高度本(ben)地化的(de)(de)，并且(qie)可(ke)能在(zai)(zai)單個時(shi)(shi)(shi)鐘周(zhou)期(qi)(幾百(bai)ps)內很短(duan)，并且(qie)可(ke)能導致IR壓(ya)(ya)(ya)降(jiang)，從而導致額外(wai)的(de)(de)建立(li)和保(bao)持時(shi)(shi)(shi)間(jian)無法(fa)滿足(zu)。通常，時(shi)(shi)(shi)鐘網(wang)絡上的(de)(de)高IR壓(ya)(ya)(ya)降(jiang)會(hui)(hui)導致時(shi)(shi)(shi)鐘保(bao)持時(shi)(shi)(shi)間(jian)不夠(gou)，而數(shu)據路徑信號網(wang)絡上的(de)(de)IR 壓(ya)(ya)(ya)降(jiang)會(hui)(hui)導致設(she)置時(shi)(shi)(shi)間(jian)不夠(gou)。在(zai)(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況下，您(nin)可(ke)以將標準單元(yuan)分(fen)離(li)開來(lai)，這(zhe)樣就(jiu)可(ke)以減(jian)輕為滿足(zu)許多標準單元(yuan)而產生(sheng)(sheng)的(de)(de)負載(zai)。
Vdynamic_drop = L（di / dt）
一個例子：
· 16nm FF + ASIC 中的 EM violations
我(wo)們在信號/時鐘網(wang)上(shang)觀察(cha)到(dao)1155次電遷(qian)移違規。我(wo)們的max_cap為(wei)371fF負載，平均凈長度為(wei)~640um。電容負載基(ji)于標(biao)準單元庫中(zhong)的默認值。這使得網(wang)絡允許更多電流。
APSDRC_net_210033的總電(dian)容：0.34327 APSDRC_net_210033的總長度：1345.995
· 16nm FF + 的IR壓降(jiang)
我們看(kan)到(dao)時鐘單(dan)元周(zhou)圍的IR壓(ya)降，因(yin)為它們總是以(yi)50％的占空比進行切換。我們觀察到(dao)在時鐘單(dan)元附(fu)近存(cun)在標準單(dan)元，整個區(qu)域(yu)通(tong)過該單(dan)元變得(de)非常密集。因(yin)此，這些區(qu)域(yu)周(zhou)圍出(chu)現了(le)IR壓(ya)降。
除(chu)了時(shi)鐘(zhong)，我們(men)還在(zai)一些耗(hao)電量大、密(mi)度高的(de)單(dan)元(yuan)上發現了IR壓降點(dian)。
防止電遷移(yi)和(he)IR壓降的技術(shu)
電遷移緩解
1. 對EM違(wei)規(gui)網絡應用NDR（非默認(ren)規(gui)則）
獲得(de)EM結果后，您可以(yi)獲取凈形(xing)狀并使用(yong)NDR重新路由這(zhe)(zhe)些網(wang)絡(luo)(luo)(luo)。應用(yong)NDR涉及使用(yong)具有更大(da)間(jian)距(ju)的雙寬(kuan)或(huo)三寬(kuan)金屬來布線時鐘(zhong)網(wang)絡(luo)(luo)(luo)。這(zhe)(zhe)將快速消除(chu)大(da)多數(shu)EM違(wei)(wei)規行(xing)為，甚至可以(yi)預測網(wang)絡(luo)(luo)(luo)，這(zhe)(zhe)些網(wang)絡(luo)(luo)(luo)更可能基于兩個參(can)數(shu)進行(xing)EM違(wei)(wei)規：
1）驅動強(qiang)度
2）負載。
可(ke)以(yi)過(guo)濾掉更多負載和高驅動(dong)(dong)的網絡，并將(jiang)它們移動(dong)(dong)到NDR。可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)項目統(tong)計數據(ju)決定不同驅動(dong)(dong)強度的閾值負載。
示例：我們看到其中一個單元出現了驚人的改進
Command: create_routing_rule em_ndr -widths“M2 0.064 M3 0.064 M4 0.064”-cuts {{VIA1 {Vrh 1} {Vrv
1}} {VIA2 {Vrh 1} {Vrv 1}} {VIA3 {Vrh 1} {Vrv 1}} {VIA4 {Vr 1}}}
foreach net [gon [get_nets $ nets]] {set_routing_rule $ net -rule em_ndr}
這(zhe)些設置之(zhi)前，有309次違(wei)規(gui)，在應用NDR后減少為(wei)1次。
2. 限制(zhi)網絡的(de)負載目標
限制或減少負(fu)載也可有(you)助于(yu)防止電遷移的(de)發生(sheng)。在上面的(de)例(li)子中(zhong)，我們(men)看到142fF是設計中(zhong)的(de)平均(jun)電容。根據一些實驗的(de)統(tong)計數據，我們(men)限制所有(you)網絡的(de)最大負(fu)載為60fF。結果(guo)，我們(men)看到信號(hao)EM和平均(jun)凈長度都有(you)很(hen)好的(de)改善。
Command：set_max_capacitance 0.06 [current_design] #setting max_cap_value用于設計
緩解 IR 壓降
1. Padding clock cells
當涉及到IR時(shi)鐘(zhong)(zhong)問(wen)題時(shi)，由(you)于(yu)高時(shi)鐘(zhong)(zhong)切換，時(shi)鐘(zhong)(zhong)結構是芯片功耗的(de)(de)主要原因。然而(er)，利用 Padding clock cells 技術(shu)，時(shi)鐘(zhong)(zhong)緩沖(chong)器/反相(xiang)器和(he)時(shi)鐘(zhong)(zhong)門單元被賦予額外的(de)(de)區域作為禁止布線區，以避免標準單元的(de)(de)放置和(he)它(ta)們周圍任(ren)何(he)過量的(de)(de)單元密度。這有助于(yu)防(fang)止動態IR壓降。
Command: create_keepout_margin -outer {3.6 0.576 3.6 0.576} $clock_type_keepout IMAGE: A cell with cell padding
2. Cell Padding/Decap insertion around cells within a dynamic IR hotspot region
一些(xie)驅動強度高的(de)單(dan)元(yuan)會(hui)產生動態IR壓(ya)降(jiang)問題。可(ke)以為(wei)這些(xie)單(dan)元(yuan)提(ti)供單(dan)元(yuan)襯墊，或(huo)者(zhe)在其(qi)周圍或(huo)IR壓(ya)降(jiang)區域(yu)插入decap單(dan)元(yuan)格，以防(fang)止(zhi)IR 壓(ya)降(jiang)問題。
