芯片功耗的构成/IR分析

david 2021-12-11 15:15:40 7024

低功耗设计的重要性,从下图可窥一斑,随着工艺节点的推进演化,45nm工艺的动态功耗、静态功耗相比90nm工艺分别增加到了2倍、6.5倍。随着工艺节点演进到14nm、7nm等先进节点,Leakage Power的占比越来越高,Power gating的低功耗设计则十分关键。功耗与IR分析密不可分,本文先讲芯片功耗类型,再讲Voltus IR分析。

降低功耗优势:- 避免移动电子设备频繁充电;

  • 避免芯片过热,延长芯片寿命;
  • 避免高成本封装(陶封),若芯片功耗低,使用塑封即可;
  • 避免芯片封装散热装置(水冷、加铜片)的成本;

通常功耗分析完成后,工作目录下将得到power.rpt、power.db和*.ptiavg文件,其中*.ptiavg、power.db文件将用于IR分析,而power.rpt则会列出详细功耗组成部分,包括以下三个部分:短路功耗(Internal Power),翻转功耗(Switching power),漏电流功耗(Leakage Power)。

  • 短路功耗(Internal Power)

内部功耗又称短路功耗,在输入信号翻转时,信号的翻转不可能瞬时完成,因此PMOS和NMOS不可能总是一个截止另外一个导通,总有那么一小段时间是PMOS和NMOS同时导通,那么从电源VDD到地VSS之间就有了通路,就形成了短路电流。

  • 翻转功耗(Switching power)

    顾名思义,Switching power 就是对输出电容进行充放电产生的功耗,其大小由电压、翻转率、负载电容决定。

  • 漏电流功耗(Leakage Power)

即静态功耗,随着工艺节点演进到14nm、10nm、7nm等先进节点,Leakage Power的占比越来越高,Power gating的低功耗设计则十分关键。
Leakage Power由以下几个部分组成:

  1. 亚阈值漏电流(Sub-threshold Leakage, ISUB) 晶体管逻辑关断时,但沟道并没完全截止,导致channel中仍存在少量导通电流。那么,可提高阈值电压Vt,从而完全截止电流,但Vt越高,器件翻转速度就降低,PPA中,Power变好了,Performance就变差了。

  2. 栅极漏电流(Gate Leakage, Igate)由于栅极氧化物隧穿和热载流子注入,存在着通过氧化物流到衬底的电流。在65nm及以下节点工艺,栅极漏电流逐步增大到了亚阈值漏电流大小,因此,high-k高介电材料必须用以阻断栅极漏电流。

  3. 栅极感应漏电流(Gate Induced Drain Leakage, IGIDL)Gate引入的结泄漏电流与其他泄漏电流相比通常都很小。

  4. 反向偏置结泄漏(Reverse Bias Junction Leakage ,IREV)由少数载流子漂移、耗尽区产生电子/空穴对引起,通常也很小。

功耗分析完成后,工作目录下将得到power.rpt、power.db和*.ptiavg文件,其中*.ptiavg、power.db文件将用于IR分析,此外还需要指定voltage source location来提供电源源点的位置。

创建 Power Pads - XY File:

生成的 Power Pads - XY File如下:

脚本流程参考如下:

运行IR分析后,可得到相应报告及Rail analysis Plot:

转载:全栈芯片工程师

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