IR-Drop 与 EM 签核：static/dynamic 压降、PDN、decap、inrush
更新时间：2026-09-14。本文是低功耗专家层正文。功耗如何从真实活动算成见 RTL 到门级功耗分析，电源开关唤醒顺序见 电源门控、隔离与保持，设计侧基础见 功耗分析与电源完整性。
一、IR-drop 本质：电源到达晶体管前已经被电阻吃掉
电源从 pad 经过金属网络、电源开关、stripe、rail、via 到单元，沿途电阻遇到电流就有压降：
V_at_cell = V_supply − I · R_path局部供电电压低于库和时序分析假设值，门延迟上升，setup 可能违例；严重时寄存器状态错误、存储器失效、常开区被一起拖复位。
| 类型 | static IR | dynamic IR |
|---|---|---|
| 看什么 | 平均/直流电流在电阻上的压降 | 时钟沿和业务突发导致的瞬态压降 |
| 时间尺度 | 稳态 | ns~us 瞬态 |
| 主要因素 | PDN 电阻、平均电流 | 电容、电感、同步翻转、电源开关 ramp |
| 典型现象 | 远处区域长期低压 | 某拍局部 VDD 塌陷、brown-out |
二、电源网络 PDN 的基本结构
pad/bump → top metal ring/grid → power stripe → followpin/rail → standard cell
↑ via array / C4 bump / decap- ring / grid：顶层低电阻主网络；
- stripe：把电流按间距送到标准单元行；
- rail：单元行内 VDD/VSS；
- via array：层与层之间的连接，单个 via 既是电阻瓶颈也是 EM 风险点；
- decap：本地电荷池，缓解瞬态压降，但占面积、增加漏电。
先进工艺还要考虑 bump 位置、封装/PCB 阻抗、power switch 网络和 always-on/switchable 两套域。
三、EM：金属线不是过流就立刻烧断
EM（Electromigration，电迁移）是高电流密度长期把金属原子迁移，造成开路或短路。签核按金属层、线宽、温度、电流方向和使用场景查表得到电流密度限制：
- 平均电流主导长期直流 EM；
- 峰值/ RMS 电流影响发热和某些金属限制；
- via、窄线、电源开关输出、bump 入口、大 memory 供电常常是热点；
- 信号线也有 EM，但电源/时钟/大驱动网络风险更高。
IR 和 EM 互相对立：加宽金属、增加 stripe/via 会降低电阻和电流密度，但消耗布线资源；decap 能缓 dynamic IR 却占面积和漏电。签核是在物理资源间折中。
四、典型分析输入
| 输入 | 作用 |
|---|---|
| DEF/LEF、物理网表 | 单元位置、金属和 via 几何 |
| SPEF/RC | PDN 电阻、电容，寄生网络 |
| tech/.lib EM 规则 | 不同金属/温度/寿命下的电流限制 |
| 功耗实例数据 | 单元/开关/memory 的平均与时间窗电流 |
| VCD/SAIF/FSDB | 产生 cycle-accurate dynamic 电流 |
| UPF/电源域 | 可关断域、power switch、retention supply |
| scenario | max power、rush current、sleep/wake、test mode |
static IR 可较早跑；dynamic IR 通常要在布局布线较稳定、有真实活动和时钟树后才有意义。
五、最常见违例和修法
| 违例 | 常见根因 | 修法 |
|---|---|---|
| 远端 static 压降大 | stripe 间距太宽、高功耗块离 pad 远 | 加密 stripe、加宽金属、补 via、调整 floorplan |
| 突发 dynamic 塌陷 | 一堆 FF/memory 同时翻转 | 加 decap、分散使能、 stagger wakeup、调 clock skew/useful skew |
| power switch inrush | 开关同时导通，decap 瞬间充电 | daisy-chain、分段/斜坡开启、限制每段开关尺寸 |
| via EM | 电流靠少量 via 穿过窄瓶颈 | via array、加宽连接、换上层金属 |
| memory/PHY 热点 | 局部大电流集中 | 局部供电增强、靠近 bump、加 decap、控制并发 |
| AON 被拖累 | 可关断域上电与 AON 共享阻抗不足 | 分离/加固 AON 网络，验证 worst-case wake |
修完不能只看 red marker 消失，还要重跑时序：更低电压会改变延迟，而加 decap/换电源开关也可能改变 ramp 和功耗。
六、vector-aware 与 vectorless
- vectorless / per-instance peak：工具给单元假设可同时翻转，悲观找结构短板，覆盖广但可能过悲观；
- vector-driven：用真实 VCD/SAIF/FSDB 产生时变电流，结果更接近业务，适合找峰值窗口；
- 二者都需要：vectorless 防止漏掉没测到的极端组合，真实向量证明典型软件和上下电场景。
七、怎么读一张 IR/EM 违例报告
IR 报告通常按 instance、电源域、金属网络给局部最低电压和相对标称电压的百分比；EM 报告则按 wire/via 给电流密度、限值和违例比例。排查顺序建议如下：
- 先看违例是否集中在同一条供电路径，若是，优先修上游瓶颈；
- 打开物理图确认它离 power pad、stripe、switch 输出有多远；
- 检查该区域是否有 memory、时钟缓冲、大驱动器或唤醒开关同时动作；
- 对比 vectorless 与真实向量结果，判断是结构不足还是业务峰值；
- 修完同时看峰值电压、平均压降、EM 裕量和 decap 漏电。
不要看到红点就加 decap。若根因是 via 太少或 stripe 断流，decap 只能掩盖平均压降，不能解决长期 EM；反之，如果平均 IR 干净但某拍动态塌陷，加宽金属可能不如局部 decap 和错开发送使能有效。
八、签核检查清单
- [ ] 覆盖 worst average、max dynamic、sleep→wake、inrush、test/scan 模式；
- [ ] 每个电源域/电压域/OPP 都有独立分析；
- [ ] PDN 顶层到 rail 的 via 和 switch 路径无瓶颈；
- [ ] static/dynamic IR 余量满足库和团队 margin；
- [ ] EM 按金属层、via、电源开关、bump 全部 clean 或 waiver；
- [ ] decap 放置靠近热点，漏电和面积影响已评估；
- [ ] 修复后重跑功耗、IR、时序，确认不引入新问题；
- [ ] 电源开关分段开启和 AON brown-out 有仿真/签核证据。
先建立机制直觉可读进阶篇电源完整性与 IR-drop（静态/动态压降、去耦电容、网格直觉），本篇聚焦 PDN/EM 签核流程与报告判读。
总结
IR-drop 是电流在电源网络电阻和瞬态阻抗上让晶体管实际供电低于签核电压，static IR 看平均电流的长期压降，dynamic IR 看同步翻转、memory 唤醒和 power-switch inrush 造成的瞬时塌陷；EM 则是长期电流密度使金属和 via 迁移失效。签核要把物理 PDN、SPEF、库电流规则、UPF 电源域和真实/向量无关活动结合起来，在每个电源域、OPP、上下电和测试场景下检查电压余量与金属电流密度，通过加宽金属、补 via/stripe、加 decap、错开上电和调度翻转修复，并重跑时序与功耗确认权衡没有制造新的违例。