芯片设计中电源完整性和STA时序的关键路径分析

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@小白创作中心

芯片设计中电源完整性和STA时序的关键路径分析

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CSDN

https://blog.csdn.net/sinat_30055139/article/details/145603046

随着芯片性能需求越来越高，比如对xPU算力的追求、对DDR速率带宽的需求，系统应用的场景也日趋复杂多变，芯片电源完整的设计需要覆盖住所有应用场景，而如果逐一对场景进行评估设计的话很难做到穷尽，因此需要在研发阶段对PI风险的识别就很重要了，其中STA阶段主要是用来验证芯片设计在不同操作条件下的时序是否满足要求，而其中的关键路径则是延迟最大的路径，决定了电路的最高工作频率，同时也决定了IP最低工作电压Vmin。Vmin是芯片能正常工作的最低电压，这对低功耗设计很重要。而实际情况需要把这两个方面联系起来，说明关键路径的时序裕度会因为电源完整性问题而减少，这就需要Vmin上升，也就是需要更高的电压来保证电路正常工作。

下面讨论下这里面时序和电源完整性相互影响的机制，比如，当电源电压降低时，晶体管的延迟会增加。如果关键路径本来裕度就不足，加上电源噪声引起的电压波动，可能使延迟超过时钟周期，导致时序违例。同时，电源噪声中的动态IR压降和地弹会在开关活动时瞬间降低有效电压，进一步加剧延迟问题。这可能形成一个恶性循环，关键路径的延迟增加导致更多电流突变，进而引发更大的电源噪声，影响更多路径。

那对于芯片设计时，应该如何优化设计来缓解这些问题呢？常用的一些方法，比如，在关键路径周围增加去耦电容可以稳定电压，或者使用更鲁棒的电路设计技术，如使用多个阈值电压的晶体管，在关键路径使用低阈值器件以减少延迟。布局布线优化，比如将关键路径靠近电源网络，减少供电阻抗，也可能有帮助。此外，动态电压频率调节（DVFS）可以根据工作负载调整电压和频率，避免在电压不足时过高的频率导致故障。当然随着先进工艺节点的引入，也会增大这些影响，比如在7nm以下，电源完整性问题更严重，因为供电电压更低，噪声容限更小。

在芯片设计中，静态时序分析（STA）的关键路径与电源完整性（Power Integrity, PI）及最低工作电压（Vmin）之间存在复杂的相互影响关系。我们可以从三个层次进行深入分析，希望能帮助大家打开思路，提供一些想法：

一、关键路径与电源完整性的耦合机制

时序裕度对电压波动的敏感性

电压-延迟关系：关键路径的延迟与供电电压成反比（近似反比例关系）。当电源电压因IR压降或地弹（Ground Bounce）下降时，路径延迟增加，直接影响建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）的裕量。
动态电压噪声：开关活动引起的瞬态电流（di/dt）会导致局部电源网络（PDN）的瞬时电压跌落（Dynamic IR Drop）。关键路径若位于高开关活动区域，其延迟裕度会因电压瞬态波动而显著恶化。

电源噪声的统计性与时序最坏情况

最坏情况叠加：STA传统上采用Corner-based分析（如SS Corner），但实际电压波动可能导致时序违例超出Corners覆盖范围。例如：
全局IR压降（Global IR Drop）可能导致芯片整体电压低于标称值。
局部IR压降（Local IR Drop）在关键路径附近形成“电压热点”，进一步加剧延迟。

反冲效应（Vmin的恶性循环）

关键路径活动与电源噪声的正反馈：关键路径的高频切换会加剧局部电源噪声，而噪声又进一步劣化关键路径时序，形成“电压-时序-噪声”的正反馈循环，最终推高Vmin。

二、关键路径对Vmin的影响路径

Vmin的定义与制约因素

Vmin是芯片在功能正确的前提下可工作的最低电压，由以下因素决定：
逻辑路径的最差时序裕度（Critical Path Limited）
存储单元（Flip-Flop/SRAM）的静态噪声容限
时钟网络的抖动（Jitter）容忍度

关键路径主导的Vmin提升机制

电压降裕度侵占：假设标称电压下关键路径时序裕度为T_slack，当电压降低ΔV时，延迟增加ΔT≈k*ΔV（k为电压灵敏度系数）。若T_slack < ΔT，则Vmin需提升至满足T_slack ≥0的电压。
统计性最坏情况叠加：在先进工艺（如7nm以下），局部电压波动（Local Variation）与时序工艺偏差（PVT Variation）的统计叠加，可能使实际Vmin比STA预测值高5%~15%。

案例：SRAM与逻辑路径的Vmin竞争

在混合信号设计中，SRAM的Vmin通常由存储单元静态噪声容限决定，而逻辑部分Vmin由关键路径决定。若关键路径时序裕度不足，可能迫使整体Vmin向逻辑部分对齐，牺牲SRAM的低压优势。

三、一些常见的优化策略

电源完整性驱动的时序优化

电压域划分：为关键路径分配独立电源域，采用低阻抗PDN设计（如增加Decap、优化电源网格密度）。
动态电压缩放（DVS）：对关键路径所在模块实施自适应电压调节，补偿IR压降影响。
时序模型增强：在STA中集成电源噪声感知的延迟计算（如EM-IR工具与STA联动），使用Voltage-aware STA流程。

Vmin降低技术

关键路径设计：插入缓冲器（Buffer Insertion）或采用双路径（Dual-Rail），降低电压敏感性。
自适应体偏置（Adaptive Body Bias）：动态调整晶体管阈值电压（Vth），补偿电压波动引起的延迟变化。
机器学习辅助Vmin预测：利用AI模型对电源噪声与时序裕度的非线性关系进行建模，快速定位Vmin瓶颈。

先进工艺的挑战与应对

FinFET/GAA特性：在3nm以下工艺，量子限域效应导致电压-延迟曲线的非线性增强，需采用更高精度的PI-Timing协同仿真。
3D IC的影响：在芯粒（Chiplet）设计中，跨die电源噪声耦合可能使关键路径的Vmin分析复杂度指数级上升，需引入系统级PI分析（System-Level PI）。