字后端PPPR電源規(guī)劃實(shí)戰(zhàn)：從IR Drop根源到Innovus腳本詳解)
做了這么多年數(shù)字后端每次看到IR Drop違例列表里那一長(zhǎng)串紅色心里都會(huì)咯噔一下。其實(shí)大部分IR Drop問(wèn)題根源不在最后分析那一步而在最開(kāi)始電源規(guī)劃沒(méi)做扎實(shí)——也就是PPPRPre-Placement Power Routing階段偷了懶。PPPR說(shuō)白了就是布局之前先把電源網(wǎng)絡(luò)骨架搭好很多新手容易把它理解成“跑個(gè)腳本加幾條Stripe就完事”實(shí)際操作中這活兒其實(shí)是個(gè)策略活既要管住功耗還得給信號(hào)繞線留夠空間稍有不慎后患無(wú)窮。這次我把Innovus里做PPPR的完整思路、腳本和調(diào)參經(jīng)驗(yàn)一起整理出來(lái)腳本可以直接抄去改參數(shù)用。無(wú)論你是剛接手后端流程的工程師還是準(zhǔn)備把PPPR納入現(xiàn)有flow的團(tuán)隊(duì)這篇文章都能幫你少踩幾個(gè)坑。1. 先說(shuō)清楚PPPR和IR Drop到底是什么關(guān)系很多朋友把PPPR當(dāng)作一個(gè)簡(jiǎn)單的“加電源環(huán)、加電源條”動(dòng)作實(shí)際上PPPR要解決的是“芯片在物理上拿到電”這件事。IR Drop的本質(zhì)是電流流過(guò)電源網(wǎng)絡(luò)時(shí)在金屬電阻上產(chǎn)生了壓降離供電點(diǎn)遠(yuǎn)的cell實(shí)際電壓低于標(biāo)準(zhǔn)值cell延遲變慢時(shí)序就崩了。這個(gè)原理可以拿高樓供水來(lái)打比方水泵在樓頂越往下水壓越大越往上水流越小。芯片里也一樣power stripe太窄、間距太大遠(yuǎn)端cell拿到的電壓就會(huì)打折扣。PPPR干的事情就是在擺放邏輯單元之前先規(guī)劃好哪幾層金屬走電源、走多寬、隔多遠(yuǎn)確保整個(gè)芯片范圍內(nèi)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元都能“喝到水”。PPPR在Innovus里的位置很明確floorplan做完、標(biāo)準(zhǔn)單元還沒(méi)擺放之前。這個(gè)階段你手中已經(jīng)是帶macro擺放的floorplan可以評(píng)估功耗密度和熱點(diǎn)區(qū)域趁早把power mesh的架構(gòu)敲定。如果拖到place之后才發(fā)現(xiàn)電源網(wǎng)絡(luò)不行改起來(lái)成本成倍上漲而且很多地方根本沒(méi)空間再改。它能解決的問(wèn)題主要有三個(gè)一是保證steady state時(shí)全芯片電壓降在可接受范圍二是給后續(xù)dynamic IR分析打一個(gè)靠譜的基礎(chǔ)三是在早期就把電源網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)繞線資源的矛盾暴露出來(lái)避免后期大改。適合誰(shuí)看準(zhǔn)備入門(mén)后端物理實(shí)現(xiàn)的同學(xué)以及正在被IR Drop反復(fù)折磨、想系統(tǒng)梳理PPPR流程的工程師。2. 動(dòng)手之前三個(gè)關(guān)鍵決策要想清楚2.1 電壓域劃分一張圖還是多張圖PPPR第一步不是畫(huà)線而是搞清楚你的芯片到底要通幾路電。單電壓域設(shè)計(jì)只有VDD和VSS最簡(jiǎn)單直接全芯片統(tǒng)一打stripe就行。多電壓域設(shè)計(jì)就麻煩不少比如SoC里常見(jiàn)的1.0V核心邏輯加1.8V IO兩套PG網(wǎng)絡(luò)互相獨(dú)立PPPR時(shí)要分別創(chuàng)建voltage domain不同域之間的stripe不能混用邊界處還要處理隔離和電平轉(zhuǎn)換單元的供電連接。我見(jiàn)過(guò)團(tuán)隊(duì)在domain邊界處理上栽過(guò)跟頭兩個(gè)電壓域挨得太近addStripe的時(shí)候沒(méi)設(shè)好boundary結(jié)果一路電串到了另一路IR分析出來(lái)一片亂。所以在動(dòng)手前先把SPEC里的power domain map拿過(guò)來(lái)確認(rèn)每個(gè)domain的bounding box和對(duì)應(yīng)PG網(wǎng)絡(luò)這一步偷懶后面全是債。2.2 PG網(wǎng)絡(luò)的“主通道”選哪層選層取決于工藝節(jié)點(diǎn)和金屬層資源。常規(guī)做法是高層厚金屬做全局stripe因?yàn)殡娮栊?、電流承載能力強(qiáng)中低層金屬做標(biāo)準(zhǔn)單元的Follow Pin和一個(gè)局部短連接。到先進(jìn)工藝有些設(shè)計(jì)連Backside Power Delivery都開(kāi)始用了電源直接走晶圓背面PPPR思路又會(huì)不一樣但基本原理沒(méi)變——用最寬的金屬、最短的距離把電送進(jìn)去。選層的矛盾點(diǎn)在于高層金屬同時(shí)也是長(zhǎng)距離信號(hào)繞線的主力stripe鋪多了信號(hào)沒(méi)地方走線。我一般先用M7/M8做一條主stripe驗(yàn)證可行性再根據(jù)IR結(jié)果決定要不要加密。別一上來(lái)就把所有高層金屬全給電源留給鐘線和高速數(shù)據(jù)一些空間否則后面CTS和route階段你會(huì)發(fā)現(xiàn)根本繞不動(dòng)。2.3 IR Drop目標(biāo)值怎么定做PPPR之前要明確“做到什么程度算合格”。通常靜態(tài)IR約束在3% VDD以內(nèi)動(dòng)態(tài)IR約束在10% VDD以內(nèi)具體數(shù)值看芯片類型和代工廠建議手機(jī)芯片比服務(wù)器芯片要嚴(yán)格因?yàn)閯?dòng)態(tài)功耗波動(dòng)大。目標(biāo)值決定了stripe密度和寬度目標(biāo)越嚴(yán)stripe就越寬、越密繞線資源消耗越大所以要找一個(gè)平衡點(diǎn)。實(shí)際操作里我會(huì)把IR目標(biāo)和繞線資源一起權(quán)衡。比如PPA要求很緊的模塊我不追求全局最嚴(yán)IR而是重點(diǎn)區(qū)域重點(diǎn)加固普通區(qū)域滿足基本約束就行。這種“局部特供”策略在高端設(shè)計(jì)里非常常見(jiàn)省下來(lái)的就是實(shí)實(shí)在在的面積和繞線資源。3. 完整PPPR腳本逐段拆解3.1 腳本整體框架與變量設(shè)置給大家的這套腳本是基于Innovus Tcl接口寫(xiě)的核心命令包括globalNetConnect、addRing、addStripe、addFollowPin、sroute這幾板斧。腳本我實(shí)際跑過(guò)芯片級(jí)和模塊級(jí)都能用但是金屬層、寬度、間距這些參數(shù)必須根據(jù)自己的PDK改不能直接照搬。# # PPPR Master Script for Innovus # Author: Backend Engineer # Usage: # 1. load design (LEF/DEF/Netlist) # 2. source $PPPR_HOME/pppr.tcl # # ---------- User Config ---------- set DESIGN_NAME chip_top set VDD_NET VDD set VSS_NET VSS set CORE_IR_TARGET 0.03 # Global Stripe Parameters set STRIPE_LAYER_TOP M8 set STRIPE_LAYER_BOT M7 set STRIPE_WIDTH 0.6 set STRIPE_SPACING 0.6 set STRIPE_PITCH 40.0 set RING_LAYER_H M7 set RING_LAYER_V M6 set RING_WIDTH 1.2 set RING_SPACING 0.5 set RING_OFFSET 1.0 set FOLLOW_PIN_LAYER M1 # Decap / Welltap set DECAP_RATIO 0.05 set WELLTAP_DISTANCE 20.0 # ------------------------------------------- # ---------- Initial Check ---------- if {![file exists $DESIGN_NAME.def]} { puts Error: $DESIGN_NAME.def not found! return -code error } loadDesign $DESIGN_NAME.enc.dat這段腳本開(kāi)頭把所有可調(diào)參數(shù)集中在一個(gè)區(qū)域方便后面對(duì)不同方案做批量掃描。PDK不同M1能不能做Follow Pin、高層金屬用什么寬度合適參數(shù)都會(huì)變。我習(xí)慣把參數(shù)獨(dú)立成vars文件這樣每次換工藝節(jié)點(diǎn)只要改一個(gè)文件不用在腳本里翻來(lái)翻去。3.2 第一步全局電源連接PPPR的第一步是把設(shè)計(jì)里每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元的VDD/VSS引腳邏輯上和全局PG網(wǎng)絡(luò)連起來(lái)。注意這時(shí)候物理連線還沒(méi)發(fā)生只是建立了一種“應(yīng)該連到同一網(wǎng)絡(luò)”的關(guān)系真正的金屬線后面才畫(huà)。# ---------- Global Net Connect ---------- globalNetConnect $VDD_NET -type pgpin -pin $VDD_NET -inst * -override globalNetConnect $VSS_NET -type pgpin -pin $VSS_NET -inst * -override globalNetConnect $VDD_NET -type tiehi -inst * -override globalNetConnect $VSS_NET -type tielo -inst * -override這里重點(diǎn)說(shuō)一下-override這個(gè)選項(xiàng)。為什么加它因?yàn)樵O(shè)計(jì)里可能存在一些多電源domain或者isolated cell在綜合階段或upf定義時(shí)PG連接可能已經(jīng)部分指定了沒(méi)有-override的話Innovus遇到已連接的網(wǎng)絡(luò)會(huì)跳過(guò)容易產(chǎn)生“某些單元沒(méi)被連上PG網(wǎng)絡(luò)”的隱患。加了它等于強(qiáng)制把規(guī)則刷新一遍保證所有instance都背著VDD/VSS標(biāo)簽。tiehi和tielo也不能忘。標(biāo)準(zhǔn)單元內(nèi)部有些輸入固定接高或接低比如掃描使能、測(cè)試模式信號(hào)這些引腳需要真正連到PG網(wǎng)絡(luò)而不是跑信號(hào)線。很多新手只設(shè)pgpin漏了tiehi/tielo結(jié)果DRC風(fēng)平浪靜一跑IR分析一堆floating引腳冒出來(lái)。3.3 第二步創(chuàng)建PG電壓屬性globalNetConnect把網(wǎng)絡(luò)關(guān)系綁定了但I(xiàn)nnovus還不知道VDD是幾伏電壓所以下一步要用createPG告訴工具每個(gè)PG網(wǎng)絡(luò)的電壓值。有了電壓屬性后面IR分析工具才能計(jì)算IR Drop沒(méi)有電壓配置功耗分析工具直接用默認(rèn)值會(huì)算出完全錯(cuò)誤的結(jié)果。# ---------- Create PG ---------- createPG -net $VDD_NET -voltage 1.00 createPG -net $VSS_NET -voltage 0.00多電壓域設(shè)計(jì)就多寫(xiě)幾行比如createPG -net VDD_1V0 -voltage 1.00 createPG -net VDD_1V8 -voltage 1.80 createPG -net VSS -voltage 0.00這里要特別提醒電壓值必須和UPF、SDC里的電壓信息保持一致一旦對(duì)不上后端的功耗分析、時(shí)序分析會(huì)橫豎都對(duì)不上賬。我在項(xiàng)目里吃過(guò)一次虧SDC里寫(xiě)的是0.8V內(nèi)核電壓createPG寫(xiě)了個(gè)0.85V結(jié)果IR分析報(bào)出來(lái)的droop比例看上去不高換算成絕對(duì)電壓偏了5%后面查了半天才發(fā)現(xiàn)是這種低級(jí)不一致造成的。3.4 第三步電源環(huán)和電源條這是PPPR的主體工作也是參數(shù)最多、最容易翻車(chē)的地方。# ---------- Add Ring ---------- addRing -nets $VDD_NET $VSS_NET \ -around core \ -layer {top $RING_LAYER_H bottom $RING_LAYER_H left $RING_LAYER_V right $RING_LAYER_V} \ -width $RING_WIDTH \ -spacing $RING_SPACING \ -offset $RING_OFFSET # ---------- Add Stripe ---------- addStripe -nets $VDD_NET $VSS_NET \ -layer $STRIPE_LAYER_TOP -direction horizontal \ -width $STRIPE_WIDTH -spacing $STRIPE_SPACING \ -set_to_set_distance $STRIPE_PITCH \ -max_same_color_joglength 4 addStripe -nets $VDD_NET $VSS_NET \ -layer $STRIPE_LAYER_BOT -direction vertical \ -width $STRIPE_WIDTH -spacing $STRIPE_SPACING \ -set_to_set_distance $STRIPE_PITCH \ -max_same_color_joglength 4先說(shuō)addRing。電源環(huán)的作用是把芯片核心區(qū)域的四周?chē)蝗窠饘傧喈?dāng)于給整個(gè)core區(qū)域一個(gè)外圍供電干線。層選擇上至少要有兩層金屬交叉橫向一層、縱向一層這樣環(huán)形路徑在轉(zhuǎn)角處不會(huì)斷。width取多少我是從供電需求估算的整個(gè)block峰值電流除以金屬單位寬度的電流承載能力再留出30%的裕量。比如一個(gè)100mA電流的block高層金屬1um寬大約能安全走1mA到2mA跟工藝和溫升有關(guān)那環(huán)形總寬度至少得有50um分?jǐn)偟诫娫春偷貎蓷l環(huán)每條25um。如果ring設(shè)得太窄相當(dāng)于供水總管的管徑不夠末端水壓肯定上不去。再說(shuō)addStripe。Stripe是貫穿core內(nèi)部的電源條真正給內(nèi)部cell供電的就靠這些條。set_to_set_distance是條與條之間的中心距這個(gè)值直接決定IR Drop好壞。間距小電阻小IR好但繞線資源被占得多間距大省資源IR容易超。經(jīng)驗(yàn)法則是第一階段先用20~40um試跑一輪再根據(jù)IR結(jié)果加密或減稀不要一上來(lái)就貪。還有一個(gè)關(guān)鍵操作是橫向和縱向兩層stripe都要打形成網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。為什么因?yàn)橹蛔邌畏较蚬╇娐窂介L(zhǎng)IR壓降會(huì)顯著增加。縱橫交錯(cuò)相當(dāng)于給電流多修了幾條路電流可以從多個(gè)方向匯入整體壓降成倍改善。很多剛?cè)腴T(mén)的朋友打完M8一條方向就覺(jué)得完事了分析出來(lái)的IR慘不忍睹其實(shí)就是網(wǎng)格沒(méi)做完整。3.5 第四步Follow Pin與標(biāo)準(zhǔn)單元供電Stripe是供電干線但標(biāo)準(zhǔn)單元的電源引腳在最底層的M1上怎么辦靠Follow Pin連接。Follow Pin就是在標(biāo)準(zhǔn)單元行的電源軌道上直接畫(huà)一根細(xì)長(zhǎng)金屬把這一行所有cell的VDD/VSS串起來(lái)再通過(guò)via把Follow Pin引到上面的stripe。# ---------- Add Follow Pin ---------- addFollowPin -nets $VDD_NET $VSS_NET -layer $FOLLOW_PIN_LAYER這個(gè)命令會(huì)沿著每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元row自動(dòng)生成電源軌道。需要注意FOLLOW_PIN_LAYER一定要選標(biāo)準(zhǔn)單元PG rail所在的金屬層通常就是M1。如果選錯(cuò)了層DRC不會(huì)立刻報(bào)錯(cuò)但后續(xù)sroute會(huì)亂成一團(tuán)via打不下去單元取不到電。打完Follow Pin之后Innovus里其實(shí)還有一個(gè)容易忽視的操作加via。Follow Pin在M1Stripe在M7/M8中間M2到M6層層都要靠via陣列打下去。via不夠電流只能擠在幾個(gè)點(diǎn)上IR照樣炸。addStripe的時(shí)候用默認(rèn)設(shè)置Innovus會(huì)在Stripe和Follow Pin重疊區(qū)域自動(dòng)加via但有些情況下via密度不夠此時(shí)可以在Stripe的交叉點(diǎn)手動(dòng)加via array或者用addViasToPin把關(guān)鍵連接點(diǎn)補(bǔ)齊。3.6 第五步SRoute連接所有供電節(jié)點(diǎn)到這里電源網(wǎng)絡(luò)還是“概念圖”globalNetConnect建立了邏輯關(guān)系Ring和Stripe是物理走線Follow Pin是標(biāo)準(zhǔn)單元軌道。但三者之間還沒(méi)形成完整的通路。SRoute就是做這個(gè)最終縫合工作的命令——把Ring、Stripe、Follow Pin以及block的PG pin全部連起來(lái)。# ---------- SRoute ---------- sroute -nets $VDD_NET $VSS_NET \ -allowJogging 1 \ -allowLayerChange 1 \ -blockPinTarget 1 \ -corePinTarget 1allowLayerChange和allowJogging必須打開(kāi)否則SRoute只走直線遇到跨層連接會(huì)直接失敗。blockPinTarget和corePinTarget意味著macro的電源引腳和core區(qū)域的引腳都要被連接如果這里沒(méi)開(kāi)memory的電源腳就會(huì)漏掉IR分析的時(shí)候那片區(qū)域會(huì)艷紅一片。SRoute跑完P(guān)PPR主體工作基本結(jié)束回到腳本開(kāi)頭看那一段收尾操作# ---------- Add Welltap Decap ---------- addWellTap -cell FILL0 -prefix WELLTAP -betweenDistance $WELLTAP_DISTANCE addDecap -cell DECAP_8T -prefix DECAP -ratio $DECAP_RATIOWellTap是給襯底和阱接電的防止latch-up。Decap是去耦電容用空閑面積填一些decap cell能有效抑制動(dòng)態(tài)IR Drop的瞬時(shí)電壓塌陷。這兩個(gè)操作雖然不直接畫(huà)電源線但和IR Drop深度相關(guān)尤其是dynamic IR場(chǎng)景decap密度太少開(kāi)關(guān)噪聲瞬間拉低電壓后果比靜態(tài)IR超一點(diǎn)還嚴(yán)重。我一般先在floorplan階段填5%~8%面積的decap然后根據(jù)IR分析結(jié)果調(diào)整不建議上來(lái)就堆滿decap堆太多影響面積和繞線密度。最后可以做一次檢查和存檔# ---------- Check Save ---------- check_pg_routing saveDesign $DESIGN_NAME.pppr.enc3.7 多電壓域腳本的常見(jiàn)變體如果設(shè)計(jì)里存在多個(gè)電壓域腳本就不會(huì)這么線性了得為每個(gè)domain單獨(dú)創(chuàng)建PG環(huán)和Stripe。習(xí)慣寫(xiě)法是先建domain再單獨(dú)操作createVoltageDomain -name CORE -boundary {0 0 1000 1000} -primaryPowerDomain createVoltageDomain -name IO -boundary {1000 0 1200 1000}然后分別對(duì)CORE和IO添加Ring和Stripe加Stripe的時(shí)候用-selected或者先用addRing/addStripe -domain指定作用范圍。我不建議用-selected這種方式來(lái)試錯(cuò)因?yàn)樵贗nnovus里選中區(qū)域的操作容易受GUI影響腳本化的時(shí)候不可控。多電壓域的腳本一定要把domain名稱寫(xiě)到addStripe參數(shù)里明確邊界查起來(lái)也方便。4. 做完P(guān)PPR怎么快速驗(yàn)證IR Drop4.1 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析的區(qū)別腳本跑完別急著開(kāi)香檳關(guān)鍵一步是驗(yàn)證。有些團(tuán)隊(duì)習(xí)慣等place和route全部結(jié)束后再做IR分析發(fā)現(xiàn)IR超過(guò)目標(biāo)值再回來(lái)改PPPR那時(shí)候要重新跑一遍完整PR流程成本非常大。建議PPPR階段就做一輪快速靜態(tài)IR檢查早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題早改。常見(jiàn)的分析工具是Voltus或RedHawk。Innovus通常和Voltus深度集成用起來(lái)比較順手。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析本質(zhì)區(qū)別在輸入數(shù)據(jù)靜態(tài)分析默認(rèn)給一個(gè)固定的翻轉(zhuǎn)率比如20%去估算全芯片的電流分布優(yōu)點(diǎn)是快缺點(diǎn)是不夠精確動(dòng)態(tài)分析吃VCD波形或SPEF寄生參數(shù)能精確到時(shí)鐘沿翻轉(zhuǎn)瞬間的電壓塌陷精度高但流程重需要仿真數(shù)據(jù)。PPPR階段用靜態(tài)分析足夠數(shù)據(jù)格式也簡(jiǎn)單輸入是DEFdatabase加上功耗估算文件通常從UPF/CPF或SAIF拿。動(dòng)態(tài)分析等place之后再做拿著寄生參數(shù)算才不會(huì)被“預(yù)估值”誤導(dǎo)。4.2 Voltus快速驗(yàn)證操作步驟在Innovus窗口里操作比較典型的流程是這樣先跑一次powerAnalysis工具抽象出電網(wǎng)結(jié)構(gòu)然后配置功耗輸入最后運(yùn)行分析。下面給出一個(gè)最精簡(jiǎn)可跑的靜態(tài)IR分析命令序列具體版本命令名可能會(huì)有差異但流程不變# ---------- Quick Static IR Check ---------- set_power_analysis_options -output_dir ir_check_output -report_format text,ascii set_dynamic_power_analysis_options -cycle_time 2.0 -toggle_rate 0.2 set_power_analysis_options -analysis_type static run_power_analysis -design $DESIGN_NAMEtoggle_rate 0.2是默認(rèn)功耗估算意思是平均每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)信號(hào)翻轉(zhuǎn)20%。如果你功耗模型清晰可以用更精確的值或者直接導(dǎo)入SAIF文件分析結(jié)果會(huì)更可信。跑完后重點(diǎn)看兩個(gè)指標(biāo)一是最差I(lǐng)R Drop的壓降百分比是否在CORE_IR_TARGET以內(nèi)二是熱點(diǎn)位置在哪里是否集中在某些高功耗區(qū)域。如果報(bào)告里最差壓降在某個(gè)macro附近那大概率是Stripe密度不夠或者welltap/decap不夠回過(guò)去在對(duì)應(yīng)區(qū)域局部加密Stripe即可。4.3 IR Drop超限怎么辦發(fā)現(xiàn)超限后先判斷是全局性問(wèn)題還是局部性問(wèn)題。全局超限通常是Stripe整體密度不足或Ring寬度不夠這時(shí)候把a(bǔ)ddStripe的set_to_set_distance從40調(diào)到30或20重新跑局部超限則在一個(gè)區(qū)域附近手動(dòng)加幾根短Stripe不要全局一起加密浪費(fèi)資源。兩個(gè)常見(jiàn)補(bǔ)充手段也值得一說(shuō)。第一在熱點(diǎn)區(qū)域的空閑地方填decap緩解動(dòng)態(tài)IR第二把熱點(diǎn)周?chē)臉?biāo)準(zhǔn)單元電源軌道做加寬處理M1末端加寬或加寬Follow Pin的供電入口。這些手段都是手術(shù)刀式操作精確打擊效果比無(wú)腦全局鋪金屬要好得多。5. 實(shí)戰(zhàn)中的高頻坑和排查技巧速查5.1 高頻問(wèn)題速查表我整理了一張自己在項(xiàng)目中反復(fù)遇到的PPPR問(wèn)題對(duì)照表先列出來(lái)給大家參考現(xiàn)象直接原因排查方向大量標(biāo)準(zhǔn)單元PG引腳floatingglobalNetConnect漏配或沒(méi)加override檢查pgpin配置確認(rèn)instance數(shù)量是否匹配IR Drop分析出來(lái)整片是紅色Stripe網(wǎng)格缺失或via密度不足檢查addStripe的橫縱方向是否都有via陣列是否有效SRoute報(bào)錯(cuò)無(wú)法完成Ring/Stripe層選錯(cuò)或重疊區(qū)域?yàn)榱銠z查Ring offset和Stripe layer是否在同一組金屬層特殊區(qū)域IR特別差macro附近Stripe密度不足或decap缺失局部加Stripe或decap不要全局動(dòng)多電壓域邊界IR異常Domain邊界重疊或PG網(wǎng)絡(luò)被誤連檢查createVoltageDomain邊界和globalNetConnect作用范圍DRC報(bào)出大量WellTap違例WellTap間距過(guò)大或密度不足確認(rèn)addWellTap的betweenDistance是否符合規(guī)則這類問(wèn)題之所以高頻出現(xiàn)是因?yàn)镻PPR錯(cuò)誤往往不是立即報(bào)錯(cuò)而是潛伏到后續(xù)IR分析或DRC階段才爆發(fā)。排查時(shí)用Innovus的GUI可視化PG網(wǎng)絡(luò)最直觀——Stripe和Ring是否閉合、Follow Pin是否和Stripe交叉點(diǎn)有via一看便知。5.2 那些文檔里不會(huì)寫(xiě)清楚的經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)一PPPR階段就要跑一遍快速I(mǎi)R別等route完 這是我最想強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)。Route完的IR分析當(dāng)然精確但改起來(lái)成本太高。PPPR階段跑靜態(tài)IR雖然粗糙但趨勢(shì)判斷完全夠用。我在實(shí)際項(xiàng)目里形成一個(gè)習(xí)慣place之后馬上跑一輪臨時(shí)IR標(biāo)記熱點(diǎn)區(qū)域然后回頭在PPPR腳本里把熱點(diǎn)區(qū)域單獨(dú)加固再重新跑place。兩輪下來(lái)最終route收出來(lái)的IR普遍很干凈。經(jīng)驗(yàn)二Stripe參數(shù)用變量掃描別手改 把set_to_set_distance和width做成變量寫(xiě)一個(gè)兩層循環(huán)批量試試不同組合的IR結(jié)果選一個(gè)在IR、面積、繞線擁擠度三方面都均衡的方案。這比來(lái)回手動(dòng)改腳本快得多也更容易發(fā)現(xiàn)參數(shù)變化的趨勢(shì)。之前我團(tuán)隊(duì)里一位工程師就是用這個(gè)辦法把全芯片IR從4.2%壓到2.7%只犧牲了不到1%的繞線資源。經(jīng)驗(yàn)三ECO階段加buffer千萬(wàn)別忘PG連接 Run到后期做功能性ECO或Timing ECO時(shí)有時(shí)候會(huì)直接手工在版圖上插buffer來(lái)修復(fù)時(shí)序。新插入的buffer如果沒(méi)走globalNetConnect那套流程它的PG引腳就是floating的跑到IR分析階段會(huì)突然冒出幾十個(gè)未連接引腳。很多人在這個(gè)位置卡了一整個(gè)下午查到最后發(fā)現(xiàn)是說(shuō)“為什么PPPR都做了紅彤彤還是一片”的根源其實(shí)是后期ECO單元沒(méi)連電源。順手在ECO腳本末尾加一句globalNetConnect刷新就能避免這個(gè)問(wèn)題。經(jīng)驗(yàn)四留好轉(zhuǎn)角空間和信號(hào)通道 最后一個(gè)實(shí)用心得是不要把Stripe鋪得密不透風(fēng)。一個(gè)網(wǎng)格均勻的電源網(wǎng)絡(luò)確實(shí)能壓住IR但如果所有可繞線層都被電源占滿信號(hào)繞線只能繞遠(yuǎn)路時(shí)序反而變差。給clock和高速數(shù)據(jù)留些橫跨芯片的專用通道IR稍微差一點(diǎn)點(diǎn)但整體PPA可能反而更好。電源規(guī)劃和時(shí)序規(guī)劃是同一套資源上的博弈誰(shuí)都想多占一點(diǎn)最后出來(lái)的方案一定是妥協(xié)的結(jié)果。我這些年在后端項(xiàng)目上最深的體會(huì)是PPPR這個(gè)階段看起來(lái)平淡無(wú)奇其實(shí)對(duì)整個(gè)芯片的收斂節(jié)奏影響極大。前期多花兩三個(gè)小時(shí)把電源網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃扎實(shí)后期IR分析就能省出兩三天來(lái)回折騰的時(shí)間。腳本只是一個(gè)起點(diǎn)把網(wǎng)格密度、層選擇和decap比例配合好才是真正的功力所在。如果大家在實(shí)際項(xiàng)目里遇到其他奇怪的電源規(guī)劃問(wèn)題也建議先回到這幾個(gè)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)去排查大概率能少走不少?gòu)澛贰? 數(shù)字后端PPPR電源規(guī)劃實(shí)戰(zhàn)：從IR Drop根源到Innovus腳本詳解
做了這么多年數(shù)字后端每次看到IR Drop違例列表里那一長(zhǎng)串紅色心里都會(huì)咯噔一下。其實(shí)大部分IR Drop問(wèn)題根源不在最后分析那一步而在最開(kāi)始電源規(guī)劃沒(méi)做扎實(shí)——也就是PPPRPre-Placement Power Routing階段偷了懶。PPPR說(shuō)白了就是布局之前先把電源網(wǎng)絡(luò)骨架搭好很多新手容易把它理解成“跑個(gè)腳本加幾條Stripe就完事”實(shí)際操作中這活兒其實(shí)是個(gè)策略活既要管住功耗還得給信號(hào)繞線留夠空間稍有不慎后患無(wú)窮。這次我把Innovus里做PPPR的完整思路、腳本和調(diào)參經(jīng)驗(yàn)一起整理出來(lái)腳本可以直接抄去改參數(shù)用。無(wú)論你是剛接手后端流程的工程師還是準(zhǔn)備把PPPR納入現(xiàn)有flow的團(tuán)隊(duì)這篇文章都能幫你少踩幾個(gè)坑。1. 先說(shuō)清楚PPPR和IR Drop到底是什么關(guān)系很多朋友把PPPR當(dāng)作一個(gè)簡(jiǎn)單的“加電源環(huán)、加電源條”動(dòng)作實(shí)際上PPPR要解決的是“芯片在物理上拿到電”這件事。IR Drop的本質(zhì)是電流流過(guò)電源網(wǎng)絡(luò)時(shí)在金屬電阻上產(chǎn)生了壓降離供電點(diǎn)遠(yuǎn)的cell實(shí)際電壓低于標(biāo)準(zhǔn)值cell延遲變慢時(shí)序就崩了。這個(gè)原理可以拿高樓供水來(lái)打比方水泵在樓頂越往下水壓越大越往上水流越小。芯片里也一樣power stripe太窄、間距太大遠(yuǎn)端cell拿到的電壓就會(huì)打折扣。PPPR干的事情就是在擺放邏輯單元之前先規(guī)劃好哪幾層金屬走電源、走多寬、隔多遠(yuǎn)確保整個(gè)芯片范圍內(nèi)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元都能“喝到水”。PPPR在Innovus里的位置很明確floorplan做完、標(biāo)準(zhǔn)單元還沒(méi)擺放之前。這個(gè)階段你手中已經(jīng)是帶macro擺放的floorplan可以評(píng)估功耗密度和熱點(diǎn)區(qū)域趁早把power mesh的架構(gòu)敲定。如果拖到place之后才發(fā)現(xiàn)電源網(wǎng)絡(luò)不行改起來(lái)成本成倍上漲而且很多地方根本沒(méi)空間再改。它能解決的問(wèn)題主要有三個(gè)一是保證steady state時(shí)全芯片電壓降在可接受范圍二是給后續(xù)dynamic IR分析打一個(gè)靠譜的基礎(chǔ)三是在早期就把電源網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)繞線資源的矛盾暴露出來(lái)避免后期大改。適合誰(shuí)看準(zhǔn)備入門(mén)后端物理實(shí)現(xiàn)的同學(xué)以及正在被IR Drop反復(fù)折磨、想系統(tǒng)梳理PPPR流程的工程師。2. 動(dòng)手之前三個(gè)關(guān)鍵決策要想清楚2.1 電壓域劃分一張圖還是多張圖PPPR第一步不是畫(huà)線而是搞清楚你的芯片到底要通幾路電。單電壓域設(shè)計(jì)只有VDD和VSS最簡(jiǎn)單直接全芯片統(tǒng)一打stripe就行。多電壓域設(shè)計(jì)就麻煩不少比如SoC里常見(jiàn)的1.0V核心邏輯加1.8V IO兩套PG網(wǎng)絡(luò)互相獨(dú)立PPPR時(shí)要分別創(chuàng)建voltage domain不同域之間的stripe不能混用邊界處還要處理隔離和電平轉(zhuǎn)換單元的供電連接。我見(jiàn)過(guò)團(tuán)隊(duì)在domain邊界處理上栽過(guò)跟頭兩個(gè)電壓域挨得太近addStripe的時(shí)候沒(méi)設(shè)好boundary結(jié)果一路電串到了另一路IR分析出來(lái)一片亂。所以在動(dòng)手前先把SPEC里的power domain map拿過(guò)來(lái)確認(rèn)每個(gè)domain的bounding box和對(duì)應(yīng)PG網(wǎng)絡(luò)這一步偷懶后面全是債。2.2 PG網(wǎng)絡(luò)的“主通道”選哪層選層取決于工藝節(jié)點(diǎn)和金屬層資源。常規(guī)做法是高層厚金屬做全局stripe因?yàn)殡娮栊?、電流承載能力強(qiáng)中低層金屬做標(biāo)準(zhǔn)單元的Follow Pin和一個(gè)局部短連接。到先進(jìn)工藝有些設(shè)計(jì)連Backside Power Delivery都開(kāi)始用了電源直接走晶圓背面PPPR思路又會(huì)不一樣但基本原理沒(méi)變——用最寬的金屬、最短的距離把電送進(jìn)去。選層的矛盾點(diǎn)在于高層金屬同時(shí)也是長(zhǎng)距離信號(hào)繞線的主力stripe鋪多了信號(hào)沒(méi)地方走線。我一般先用M7/M8做一條主stripe驗(yàn)證可行性再根據(jù)IR結(jié)果決定要不要加密。別一上來(lái)就把所有高層金屬全給電源留給鐘線和高速數(shù)據(jù)一些空間否則后面CTS和route階段你會(huì)發(fā)現(xiàn)根本繞不動(dòng)。2.3 IR Drop目標(biāo)值怎么定做PPPR之前要明確“做到什么程度算合格”。通常靜態(tài)IR約束在3% VDD以內(nèi)動(dòng)態(tài)IR約束在10% VDD以內(nèi)具體數(shù)值看芯片類型和代工廠建議手機(jī)芯片比服務(wù)器芯片要嚴(yán)格因?yàn)閯?dòng)態(tài)功耗波動(dòng)大。目標(biāo)值決定了stripe密度和寬度目標(biāo)越嚴(yán)stripe就越寬、越密繞線資源消耗越大所以要找一個(gè)平衡點(diǎn)。實(shí)際操作里我會(huì)把IR目標(biāo)和繞線資源一起權(quán)衡。比如PPA要求很緊的模塊我不追求全局最嚴(yán)IR而是重點(diǎn)區(qū)域重點(diǎn)加固普通區(qū)域滿足基本約束就行。這種“局部特供”策略在高端設(shè)計(jì)里非常常見(jiàn)省下來(lái)的就是實(shí)實(shí)在在的面積和繞線資源。3. 完整PPPR腳本逐段拆解3.1 腳本整體框架與變量設(shè)置給大家的這套腳本是基于Innovus Tcl接口寫(xiě)的核心命令包括globalNetConnect、addRing、addStripe、addFollowPin、sroute這幾板斧。腳本我實(shí)際跑過(guò)芯片級(jí)和模塊級(jí)都能用但是金屬層、寬度、間距這些參數(shù)必須根據(jù)自己的PDK改不能直接照搬。# # PPPR Master Script for Innovus # Author: Backend Engineer # Usage: # 1. load design (LEF/DEF/Netlist) # 2. source $PPPR_HOME/pppr.tcl # # ---------- User Config ---------- set DESIGN_NAME chip_top set VDD_NET VDD set VSS_NET VSS set CORE_IR_TARGET 0.03 # Global Stripe Parameters set STRIPE_LAYER_TOP M8 set STRIPE_LAYER_BOT M7 set STRIPE_WIDTH 0.6 set STRIPE_SPACING 0.6 set STRIPE_PITCH 40.0 set RING_LAYER_H M7 set RING_LAYER_V M6 set RING_WIDTH 1.2 set RING_SPACING 0.5 set RING_OFFSET 1.0 set FOLLOW_PIN_LAYER M1 # Decap / Welltap set DECAP_RATIO 0.05 set WELLTAP_DISTANCE 20.0 # ------------------------------------------- # ---------- Initial Check ---------- if {![file exists $DESIGN_NAME.def]} { puts Error: $DESIGN_NAME.def not found! return -code error } loadDesign $DESIGN_NAME.enc.dat這段腳本開(kāi)頭把所有可調(diào)參數(shù)集中在一個(gè)區(qū)域方便后面對(duì)不同方案做批量掃描。PDK不同M1能不能做Follow Pin、高層金屬用什么寬度合適參數(shù)都會(huì)變。我習(xí)慣把參數(shù)獨(dú)立成vars文件這樣每次換工藝節(jié)點(diǎn)只要改一個(gè)文件不用在腳本里翻來(lái)翻去。3.2 第一步全局電源連接PPPR的第一步是把設(shè)計(jì)里每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元的VDD/VSS引腳邏輯上和全局PG網(wǎng)絡(luò)連起來(lái)。注意這時(shí)候物理連線還沒(méi)發(fā)生只是建立了一種“應(yīng)該連到同一網(wǎng)絡(luò)”的關(guān)系真正的金屬線后面才畫(huà)。# ---------- Global Net Connect ---------- globalNetConnect $VDD_NET -type pgpin -pin $VDD_NET -inst * -override globalNetConnect $VSS_NET -type pgpin -pin $VSS_NET -inst * -override globalNetConnect $VDD_NET -type tiehi -inst * -override globalNetConnect $VSS_NET -type tielo -inst * -override這里重點(diǎn)說(shuō)一下-override這個(gè)選項(xiàng)。為什么加它因?yàn)樵O(shè)計(jì)里可能存在一些多電源domain或者isolated cell在綜合階段或upf定義時(shí)PG連接可能已經(jīng)部分指定了沒(méi)有-override的話Innovus遇到已連接的網(wǎng)絡(luò)會(huì)跳過(guò)容易產(chǎn)生“某些單元沒(méi)被連上PG網(wǎng)絡(luò)”的隱患。加了它等于強(qiáng)制把規(guī)則刷新一遍保證所有instance都背著VDD/VSS標(biāo)簽。tiehi和tielo也不能忘。標(biāo)準(zhǔn)單元內(nèi)部有些輸入固定接高或接低比如掃描使能、測(cè)試模式信號(hào)這些引腳需要真正連到PG網(wǎng)絡(luò)而不是跑信號(hào)線。很多新手只設(shè)pgpin漏了tiehi/tielo結(jié)果DRC風(fēng)平浪靜一跑IR分析一堆floating引腳冒出來(lái)。3.3 第二步創(chuàng)建PG電壓屬性globalNetConnect把網(wǎng)絡(luò)關(guān)系綁定了但I(xiàn)nnovus還不知道VDD是幾伏電壓所以下一步要用createPG告訴工具每個(gè)PG網(wǎng)絡(luò)的電壓值。有了電壓屬性后面IR分析工具才能計(jì)算IR Drop沒(méi)有電壓配置功耗分析工具直接用默認(rèn)值會(huì)算出完全錯(cuò)誤的結(jié)果。# ---------- Create PG ---------- createPG -net $VDD_NET -voltage 1.00 createPG -net $VSS_NET -voltage 0.00多電壓域設(shè)計(jì)就多寫(xiě)幾行比如createPG -net VDD_1V0 -voltage 1.00 createPG -net VDD_1V8 -voltage 1.80 createPG -net VSS -voltage 0.00這里要特別提醒電壓值必須和UPF、SDC里的電壓信息保持一致一旦對(duì)不上后端的功耗分析、時(shí)序分析會(huì)橫豎都對(duì)不上賬。我在項(xiàng)目里吃過(guò)一次虧SDC里寫(xiě)的是0.8V內(nèi)核電壓createPG寫(xiě)了個(gè)0.85V結(jié)果IR分析報(bào)出來(lái)的droop比例看上去不高換算成絕對(duì)電壓偏了5%后面查了半天才發(fā)現(xiàn)是這種低級(jí)不一致造成的。3.4 第三步電源環(huán)和電源條這是PPPR的主體工作也是參數(shù)最多、最容易翻車(chē)的地方。# ---------- Add Ring ---------- addRing -nets $VDD_NET $VSS_NET \ -around core \ -layer {top $RING_LAYER_H bottom $RING_LAYER_H left $RING_LAYER_V right $RING_LAYER_V} \ -width $RING_WIDTH \ -spacing $RING_SPACING \ -offset $RING_OFFSET # ---------- Add Stripe ---------- addStripe -nets $VDD_NET $VSS_NET \ -layer $STRIPE_LAYER_TOP -direction horizontal \ -width $STRIPE_WIDTH -spacing $STRIPE_SPACING \ -set_to_set_distance $STRIPE_PITCH \ -max_same_color_joglength 4 addStripe -nets $VDD_NET $VSS_NET \ -layer $STRIPE_LAYER_BOT -direction vertical \ -width $STRIPE_WIDTH -spacing $STRIPE_SPACING \ -set_to_set_distance $STRIPE_PITCH \ -max_same_color_joglength 4先說(shuō)addRing。電源環(huán)的作用是把芯片核心區(qū)域的四周?chē)蝗窠饘傧喈?dāng)于給整個(gè)core區(qū)域一個(gè)外圍供電干線。層選擇上至少要有兩層金屬交叉橫向一層、縱向一層這樣環(huán)形路徑在轉(zhuǎn)角處不會(huì)斷。width取多少我是從供電需求估算的整個(gè)block峰值電流除以金屬單位寬度的電流承載能力再留出30%的裕量。比如一個(gè)100mA電流的block高層金屬1um寬大約能安全走1mA到2mA跟工藝和溫升有關(guān)那環(huán)形總寬度至少得有50um分?jǐn)偟诫娫春偷貎蓷l環(huán)每條25um。如果ring設(shè)得太窄相當(dāng)于供水總管的管徑不夠末端水壓肯定上不去。再說(shuō)addStripe。Stripe是貫穿core內(nèi)部的電源條真正給內(nèi)部cell供電的就靠這些條。set_to_set_distance是條與條之間的中心距這個(gè)值直接決定IR Drop好壞。間距小電阻小IR好但繞線資源被占得多間距大省資源IR容易超。經(jīng)驗(yàn)法則是第一階段先用20~40um試跑一輪再根據(jù)IR結(jié)果加密或減稀不要一上來(lái)就貪。還有一個(gè)關(guān)鍵操作是橫向和縱向兩層stripe都要打形成網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。為什么因?yàn)橹蛔邌畏较蚬╇娐窂介L(zhǎng)IR壓降會(huì)顯著增加。縱橫交錯(cuò)相當(dāng)于給電流多修了幾條路電流可以從多個(gè)方向匯入整體壓降成倍改善。很多剛?cè)腴T(mén)的朋友打完M8一條方向就覺(jué)得完事了分析出來(lái)的IR慘不忍睹其實(shí)就是網(wǎng)格沒(méi)做完整。3.5 第四步Follow Pin與標(biāo)準(zhǔn)單元供電Stripe是供電干線但標(biāo)準(zhǔn)單元的電源引腳在最底層的M1上怎么辦靠Follow Pin連接。Follow Pin就是在標(biāo)準(zhǔn)單元行的電源軌道上直接畫(huà)一根細(xì)長(zhǎng)金屬把這一行所有cell的VDD/VSS串起來(lái)再通過(guò)via把Follow Pin引到上面的stripe。# ---------- Add Follow Pin ---------- addFollowPin -nets $VDD_NET $VSS_NET -layer $FOLLOW_PIN_LAYER這個(gè)命令會(huì)沿著每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元row自動(dòng)生成電源軌道。需要注意FOLLOW_PIN_LAYER一定要選標(biāo)準(zhǔn)單元PG rail所在的金屬層通常就是M1。如果選錯(cuò)了層DRC不會(huì)立刻報(bào)錯(cuò)但后續(xù)sroute會(huì)亂成一團(tuán)via打不下去單元取不到電。打完Follow Pin之后Innovus里其實(shí)還有一個(gè)容易忽視的操作加via。Follow Pin在M1Stripe在M7/M8中間M2到M6層層都要靠via陣列打下去。via不夠電流只能擠在幾個(gè)點(diǎn)上IR照樣炸。addStripe的時(shí)候用默認(rèn)設(shè)置Innovus會(huì)在Stripe和Follow Pin重疊區(qū)域自動(dòng)加via但有些情況下via密度不夠此時(shí)可以在Stripe的交叉點(diǎn)手動(dòng)加via array或者用addViasToPin把關(guān)鍵連接點(diǎn)補(bǔ)齊。3.6 第五步SRoute連接所有供電節(jié)點(diǎn)到這里電源網(wǎng)絡(luò)還是“概念圖”globalNetConnect建立了邏輯關(guān)系Ring和Stripe是物理走線Follow Pin是標(biāo)準(zhǔn)單元軌道。但三者之間還沒(méi)形成完整的通路。SRoute就是做這個(gè)最終縫合工作的命令——把Ring、Stripe、Follow Pin以及block的PG pin全部連起來(lái)。# ---------- SRoute ---------- sroute -nets $VDD_NET $VSS_NET \ -allowJogging 1 \ -allowLayerChange 1 \ -blockPinTarget 1 \ -corePinTarget 1allowLayerChange和allowJogging必須打開(kāi)否則SRoute只走直線遇到跨層連接會(huì)直接失敗。blockPinTarget和corePinTarget意味著macro的電源引腳和core區(qū)域的引腳都要被連接如果這里沒(méi)開(kāi)memory的電源腳就會(huì)漏掉IR分析的時(shí)候那片區(qū)域會(huì)艷紅一片。SRoute跑完P(guān)PPR主體工作基本結(jié)束回到腳本開(kāi)頭看那一段收尾操作# ---------- Add Welltap Decap ---------- addWellTap -cell FILL0 -prefix WELLTAP -betweenDistance $WELLTAP_DISTANCE addDecap -cell DECAP_8T -prefix DECAP -ratio $DECAP_RATIOWellTap是給襯底和阱接電的防止latch-up。Decap是去耦電容用空閑面積填一些decap cell能有效抑制動(dòng)態(tài)IR Drop的瞬時(shí)電壓塌陷。這兩個(gè)操作雖然不直接畫(huà)電源線但和IR Drop深度相關(guān)尤其是dynamic IR場(chǎng)景decap密度太少開(kāi)關(guān)噪聲瞬間拉低電壓后果比靜態(tài)IR超一點(diǎn)還嚴(yán)重。我一般先在floorplan階段填5%~8%面積的decap然后根據(jù)IR分析結(jié)果調(diào)整不建議上來(lái)就堆滿decap堆太多影響面積和繞線密度。最后可以做一次檢查和存檔# ---------- Check Save ---------- check_pg_routing saveDesign $DESIGN_NAME.pppr.enc3.7 多電壓域腳本的常見(jiàn)變體如果設(shè)計(jì)里存在多個(gè)電壓域腳本就不會(huì)這么線性了得為每個(gè)domain單獨(dú)創(chuàng)建PG環(huán)和Stripe。習(xí)慣寫(xiě)法是先建domain再單獨(dú)操作createVoltageDomain -name CORE -boundary {0 0 1000 1000} -primaryPowerDomain createVoltageDomain -name IO -boundary {1000 0 1200 1000}然后分別對(duì)CORE和IO添加Ring和Stripe加Stripe的時(shí)候用-selected或者先用addRing/addStripe -domain指定作用范圍。我不建議用-selected這種方式來(lái)試錯(cuò)因?yàn)樵贗nnovus里選中區(qū)域的操作容易受GUI影響腳本化的時(shí)候不可控。多電壓域的腳本一定要把domain名稱寫(xiě)到addStripe參數(shù)里明確邊界查起來(lái)也方便。4. 做完P(guān)PPR怎么快速驗(yàn)證IR Drop4.1 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析的區(qū)別腳本跑完別急著開(kāi)香檳關(guān)鍵一步是驗(yàn)證。有些團(tuán)隊(duì)習(xí)慣等place和route全部結(jié)束后再做IR分析發(fā)現(xiàn)IR超過(guò)目標(biāo)值再回來(lái)改PPPR那時(shí)候要重新跑一遍完整PR流程成本非常大。建議PPPR階段就做一輪快速靜態(tài)IR檢查早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題早改。常見(jiàn)的分析工具是Voltus或RedHawk。Innovus通常和Voltus深度集成用起來(lái)比較順手。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析本質(zhì)區(qū)別在輸入數(shù)據(jù)靜態(tài)分析默認(rèn)給一個(gè)固定的翻轉(zhuǎn)率比如20%去估算全芯片的電流分布優(yōu)點(diǎn)是快缺點(diǎn)是不夠精確動(dòng)態(tài)分析吃VCD波形或SPEF寄生參數(shù)能精確到時(shí)鐘沿翻轉(zhuǎn)瞬間的電壓塌陷精度高但流程重需要仿真數(shù)據(jù)。PPPR階段用靜態(tài)分析足夠數(shù)據(jù)格式也簡(jiǎn)單輸入是DEFdatabase加上功耗估算文件通常從UPF/CPF或SAIF拿。動(dòng)態(tài)分析等place之后再做拿著寄生參數(shù)算才不會(huì)被“預(yù)估值”誤導(dǎo)。4.2 Voltus快速驗(yàn)證操作步驟在Innovus窗口里操作比較典型的流程是這樣先跑一次powerAnalysis工具抽象出電網(wǎng)結(jié)構(gòu)然后配置功耗輸入最后運(yùn)行分析。下面給出一個(gè)最精簡(jiǎn)可跑的靜態(tài)IR分析命令序列具體版本命令名可能會(huì)有差異但流程不變# ---------- Quick Static IR Check ---------- set_power_analysis_options -output_dir ir_check_output -report_format text,ascii set_dynamic_power_analysis_options -cycle_time 2.0 -toggle_rate 0.2 set_power_analysis_options -analysis_type static run_power_analysis -design $DESIGN_NAMEtoggle_rate 0.2是默認(rèn)功耗估算意思是平均每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)信號(hào)翻轉(zhuǎn)20%。如果你功耗模型清晰可以用更精確的值或者直接導(dǎo)入SAIF文件分析結(jié)果會(huì)更可信。跑完后重點(diǎn)看兩個(gè)指標(biāo)一是最差I(lǐng)R Drop的壓降百分比是否在CORE_IR_TARGET以內(nèi)二是熱點(diǎn)位置在哪里是否集中在某些高功耗區(qū)域。如果報(bào)告里最差壓降在某個(gè)macro附近那大概率是Stripe密度不夠或者welltap/decap不夠回過(guò)去在對(duì)應(yīng)區(qū)域局部加密Stripe即可。4.3 IR Drop超限怎么辦發(fā)現(xiàn)超限后先判斷是全局性問(wèn)題還是局部性問(wèn)題。全局超限通常是Stripe整體密度不足或Ring寬度不夠這時(shí)候把a(bǔ)ddStripe的set_to_set_distance從40調(diào)到30或20重新跑局部超限則在一個(gè)區(qū)域附近手動(dòng)加幾根短Stripe不要全局一起加密浪費(fèi)資源。兩個(gè)常見(jiàn)補(bǔ)充手段也值得一說(shuō)。第一在熱點(diǎn)區(qū)域的空閑地方填decap緩解動(dòng)態(tài)IR第二把熱點(diǎn)周?chē)臉?biāo)準(zhǔn)單元電源軌道做加寬處理M1末端加寬或加寬Follow Pin的供電入口。這些手段都是手術(shù)刀式操作精確打擊效果比無(wú)腦全局鋪金屬要好得多。5. 實(shí)戰(zhàn)中的高頻坑和排查技巧速查5.1 高頻問(wèn)題速查表我整理了一張自己在項(xiàng)目中反復(fù)遇到的PPPR問(wèn)題對(duì)照表先列出來(lái)給大家參考現(xiàn)象直接原因排查方向大量標(biāo)準(zhǔn)單元PG引腳floatingglobalNetConnect漏配或沒(méi)加override檢查pgpin配置確認(rèn)instance數(shù)量是否匹配IR Drop分析出來(lái)整片是紅色Stripe網(wǎng)格缺失或via密度不足檢查addStripe的橫縱方向是否都有via陣列是否有效SRoute報(bào)錯(cuò)無(wú)法完成Ring/Stripe層選錯(cuò)或重疊區(qū)域?yàn)榱銠z查Ring offset和Stripe layer是否在同一組金屬層特殊區(qū)域IR特別差macro附近Stripe密度不足或decap缺失局部加Stripe或decap不要全局動(dòng)多電壓域邊界IR異常Domain邊界重疊或PG網(wǎng)絡(luò)被誤連檢查createVoltageDomain邊界和globalNetConnect作用范圍DRC報(bào)出大量WellTap違例WellTap間距過(guò)大或密度不足確認(rèn)addWellTap的betweenDistance是否符合規(guī)則這類問(wèn)題之所以高頻出現(xiàn)是因?yàn)镻PPR錯(cuò)誤往往不是立即報(bào)錯(cuò)而是潛伏到后續(xù)IR分析或DRC階段才爆發(fā)。排查時(shí)用Innovus的GUI可視化PG網(wǎng)絡(luò)最直觀——Stripe和Ring是否閉合、Follow Pin是否和Stripe交叉點(diǎn)有via一看便知。5.2 那些文檔里不會(huì)寫(xiě)清楚的經(jīng)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)一PPPR階段就要跑一遍快速I(mǎi)R別等route完 這是我最想強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)。Route完的IR分析當(dāng)然精確但改起來(lái)成本太高。PPPR階段跑靜態(tài)IR雖然粗糙但趨勢(shì)判斷完全夠用。我在實(shí)際項(xiàng)目里形成一個(gè)習(xí)慣place之后馬上跑一輪臨時(shí)IR標(biāo)記熱點(diǎn)區(qū)域然后回頭在PPPR腳本里把熱點(diǎn)區(qū)域單獨(dú)加固再重新跑place。兩輪下來(lái)最終route收出來(lái)的IR普遍很干凈。經(jīng)驗(yàn)二Stripe參數(shù)用變量掃描別手改 把set_to_set_distance和width做成變量寫(xiě)一個(gè)兩層循環(huán)批量試試不同組合的IR結(jié)果選一個(gè)在IR、面積、繞線擁擠度三方面都均衡的方案。這比來(lái)回手動(dòng)改腳本快得多也更容易發(fā)現(xiàn)參數(shù)變化的趨勢(shì)。之前我團(tuán)隊(duì)里一位工程師就是用這個(gè)辦法把全芯片IR從4.2%壓到2.7%只犧牲了不到1%的繞線資源。經(jīng)驗(yàn)三ECO階段加buffer千萬(wàn)別忘PG連接 Run到后期做功能性ECO或Timing ECO時(shí)有時(shí)候會(huì)直接手工在版圖上插buffer來(lái)修復(fù)時(shí)序。新插入的buffer如果沒(méi)走globalNetConnect那套流程它的PG引腳就是floating的跑到IR分析階段會(huì)突然冒出幾十個(gè)未連接引腳。很多人在這個(gè)位置卡了一整個(gè)下午查到最后發(fā)現(xiàn)是說(shuō)“為什么PPPR都做了紅彤彤還是一片”的根源其實(shí)是后期ECO單元沒(méi)連電源。順手在ECO腳本末尾加一句globalNetConnect刷新就能避免這個(gè)問(wèn)題。經(jīng)驗(yàn)四留好轉(zhuǎn)角空間和信號(hào)通道 最后一個(gè)實(shí)用心得是不要把Stripe鋪得密不透風(fēng)。一個(gè)網(wǎng)格均勻的電源網(wǎng)絡(luò)確實(shí)能壓住IR但如果所有可繞線層都被電源占滿信號(hào)繞線只能繞遠(yuǎn)路時(shí)序反而變差。給clock和高速數(shù)據(jù)留些橫跨芯片的專用通道IR稍微差一點(diǎn)點(diǎn)但整體PPA可能反而更好。電源規(guī)劃和時(shí)序規(guī)劃是同一套資源上的博弈誰(shuí)都想多占一點(diǎn)最后出來(lái)的方案一定是妥協(xié)的結(jié)果。我這些年在后端項(xiàng)目上最深的體會(huì)是PPPR這個(gè)階段看起來(lái)平淡無(wú)奇其實(shí)對(duì)整個(gè)芯片的收斂節(jié)奏影響極大。前期多花兩三個(gè)小時(shí)把電源網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃扎實(shí)后期IR分析就能省出兩三天來(lái)回折騰的時(shí)間。腳本只是一個(gè)起點(diǎn)把網(wǎng)格密度、層選擇和decap比例配合好才是真正的功力所在。如果大家在實(shí)際項(xiàng)目里遇到其他奇怪的電源規(guī)劃問(wèn)題也建議先回到這幾個(gè)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)去排查大概率能少走不少?gòu)澛贰?