電源規(guī)劃 - 基于RSA算法電子系統(tǒng)認(rèn)證芯片的電源規(guī)劃

　　在該電子系統(tǒng)認(rèn)證芯片的預(yù)設(shè)計階段，存在IRDrop的違規(guī)，因此必須通過電源規(guī)劃來設(shè)計芯片的供電網(wǎng)絡(luò)，以消除IR Drop違規(guī)。電源規(guī)劃的總體步驟包括全局電源網(wǎng)絡(luò)的連接、電源/地Pad規(guī)劃、電源環(huán)的設(shè)計和電源條的設(shè)計。

　　2.1 連接全局電源

　　全局電源網(wǎng)絡(luò)的連接是指把相應(yīng)的端口和網(wǎng)絡(luò)連接到合適的電源和接地網(wǎng)絡(luò)上，從而使整個芯片供電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計以及后續(xù)的步驟可以順利完成。可以通過選擇“Floorplan”菜單列表中的“Connect Global Net”選項進行連接，也可以通過在終端中輸入命令“global-NetCon-nect”進行連接。

　　2.2 電源/地Pad規(guī)劃

　　2.2.1 確定供電Pad的數(shù)量

　　根據(jù)功耗分析所得芯片內(nèi)核正常工作的功耗值，根據(jù)式(1)可以計算出所需給內(nèi)核供電的電源/地Pad的最小數(shù)量m。

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　　式中：PAVG為芯片內(nèi)核正常工作時的平均功耗;VPAD和IPAD分別是為內(nèi)核供電的I/O Pad正常條件下供電電壓和所能提供的最大電流，這里的VPAD即為芯片內(nèi)核的工作電壓VDD;k為調(diào)整因子，根據(jù)芯片的實際情況，最小取1～2，最大可取5～10。

　　在SMIC的0.18μm I/O單元說明文檔中，給出了電源/地單元結(jié)構(gòu)中的最小金屬寬度。PLVDD*和PLVSS*系列的最小金屬寬度為70 μm。根據(jù)所給出的最小金屬寬度，可以計算出相應(yīng)的I/O Pad可以提供多少電流，如式(2)所示：

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　　式中：Cd是由工藝決定的電流密度上限。一般情況下，Metall到Meta15均為1.0 mA/μm，在銅工藝情況下，頂層金屬Meta16在110℃為1.6 mA/μm。因此可得設(shè)計中所應(yīng)用的I/O單元可以提供70 mA的電流。

　　以75%的利用率中預(yù)跑后端設(shè)計的結(jié)果可得，芯片功耗為115.41mW，工作電壓為1.8V，代入式(1)可得，該電子系統(tǒng)認(rèn)證芯片所需的內(nèi)核供電Pad的數(shù)量為1對，給I/O單元供電的Pad數(shù)量也為1對，并且將兩者的地Pad短接，以使整個I/O單元的電源環(huán)有更好的ESD保護性能。

　　2.2.2 供電Pad位置的確定

　　供電Pad在芯片中可以起到很好的隔離干擾和降低噪聲的作用，在供電Pad的擺放上，可以考慮以下因素：

　　(1)將電源/地Pad放置在同時跳變的信號Pad中進行隔離，防止信號相互干擾;

　　(2)最好能在時鐘信號Pad的兩端用地Pad隔離，從而屏蔽信號跳變對時鐘信號的干擾;

　　(3)為了保證整個芯片內(nèi)核電源網(wǎng)絡(luò)的供電均勻，減少電壓降和電遷移，將電源/地Pad均勻分布在芯片的四周;

　　(4)由于復(fù)位信號Pad容易受噪聲影響，可以利用電源/地Pad來減低噪聲;

　　(5)Pad的排布還需要考慮最終芯片的封裝，其排列要便于封裝時引線，盡量避免封裝時產(chǎn)生焊接線交叉，并要符合封裝的設(shè)計規(guī)則(如最小Pad間距、最大的拐角和最大的金線長度等)。

　　2.3 電源環(huán)的設(shè)計

　　在電源規(guī)劃階段，電源環(huán)指的是Core Ring，即給芯片內(nèi)核供電的電源環(huán)。它是連接供電I/O Pad和標(biāo)準(zhǔn)單元的橋梁，通過Core Ring就可以實現(xiàn)供電I/O Pad為標(biāo)準(zhǔn)單元以及硬核供電。

　　電源環(huán)的總寬度是根據(jù)整個芯片的供電峰值電流以及廠家設(shè)計規(guī)則中所允許的電流密度來決定的，可由式(3)估算出所需電源環(huán)的總寬度Wring：

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　　式中：Ip為芯片的峰值電流;Cd為廠家工藝庫所給出的電流密度的上限，與式(2)中的定義是一樣的;k為調(diào)整因子，根據(jù)芯片的供電I/O單元分布決定。

　　由于Core Ring是四邊的，每邊承擔(dān)1/4的電流，因此電源環(huán)總寬度除以4就是每邊Core Ring的總寬度。在電源環(huán)的設(shè)計中，單個電源環(huán)的寬度不可超過廠家所規(guī)定的寬線規(guī)則，以避免打孔。單個電源環(huán)寬度w的計算如下所示：

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　　式中：n為電源環(huán)的對數(shù)。

　　由式(3)可得所需電源環(huán)的總寬度為64.117μm。為了有效減小電源環(huán)所占據(jù)的芯片面積，該設(shè)計采用雙層電源環(huán)的設(shè)計，橫向采用Met-a13，Meta15;縱向采用Meta14，Meta16，因此n為2，由式(4)可得w為8.015 μm。為了給整個芯片的功耗預(yù)留一定的冗余量，并且金屬線的寬度足夠?qū)挘梢越档陀捎陔娺w移導(dǎo)致的電路失效，從反復(fù)實踐中得出，單個電源環(huán)的寬度取15 μm，可以滿足該芯片電遷移和電壓降的要求，設(shè)計好的電源環(huán)如圖2所示。

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　　最后，根據(jù)文檔中提供的Rom核工作所需的最大電流值，設(shè)計Block Ring為Rom供電。