最後更新:2026年10月8日設計・架構晶片設計流程(RTL 至投片)中國大陸:IR 压降

IR 壓降是什麼

IR Drop

IR 壓降是電流流經晶片內電源導線時,因導線電阻使電源電壓下降的現象。離電源焊墊越遠的電晶體,實際電壓越低、速度越慢,成為時序違規的原因。分為平均電流造成的靜態 IR 壓降與同時切換造成的動態 IR 壓降,先進節點正逐步導入背面供電作為根本對策。

目錄4 項
  1. 定義與原理
  2. 常見問題
  3. 相關用語
  4. 比較文章

定義與原理

IR 壓降是指電流(I)流經晶片內電源導線時,因導線電阻(R)使電壓下降的現象。離電源焊墊越遠的電晶體,實際接收到的電源電壓就越低於設計值。電源電壓下降會使電晶體驅動力降低、電路變慢,成為時序違規或誤動作的原因,因此在實體設計中,會將電源網路設計成使此電壓降落在容許範圍內。容許值的參考標準約為電源電壓的數%。

IR 壓降有 2 種觀點。(1)靜態 IR 壓降:以平均電流求出穩態下的電壓降,用於確認電源導線的粗細與數量是否足夠。(2)動態 IR 壓降:多數電路同時切換瞬間的電流峰值所造成的暫時性電壓下降,除了電源導線的電阻外,也受電感與去耦電容的影響。在先進節點中,動態 IR 壓降較容易成為問題。

對策主要是強化電源網路。手段包括:增加電源條帶的數量或寬度、將上層較厚的導線層分配給電源、增加電源焊墊或凸塊、在電路區塊附近放置去耦電容元件以建立局部電荷儲備等。不過,電源導線增加會減少訊號導線可用的資源,因此從平面規劃階段就要作為繞線資源的分配加以規劃。代表性分析工具有 Ansys RedHawk-SC(現屬 Synopsys)、Cadence Voltus。

IR 壓降隨微縮化而日益嚴峻。因為電源電壓降至 1V 以下,同時導線變細使電阻增加,晶片電流密度也上升。這個問題的根本對策之一是背面供電(BSPDN),在晶圓背面設置粗電源導線,大幅降低電源路徑的電阻。此外,電源導線電流密度過高也會因電遷移(electromigration)造成斷線,因此在 IR 壓降分析的同時也會進行可靠度驗證。

IR 壓降的常見問題

發生 IR 壓降會有什麼問題?
送達電晶體的電源電壓下降時,驅動電流會減少,閘延遲變大。結果會在設計時假設的頻率下無法滿足時序,最糟的情況下邏輯會誤動作。STA 有時也會以考慮 IR 壓降後的電壓計算延遲。
靜態 IR 壓降與動態 IR 壓降有何不同?
靜態 IR 壓降是相對於平均電流的穩態電壓降,用於找出電源導線粗細或數量的不足。動態 IR 壓降是多數電路同時切換瞬間的電流峰值所造成的暫時性下降,也與去耦電容及封裝的電感有關。

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