该电子系统认证芯片采用SMIC 0.18μm 6层金属工艺，在SoC Eneounter平台上进行物理设计。为了了解整个芯片的布线拥塞程度和功耗的大概情况，进行正式设计之前，对该芯片进行预设计;通过预设计的结果分析芯片的布线拥塞情况，并对布局布线后的功耗进行预估。在分析预设计的基础上，针对预设计中存在的问题对芯片进行详细的电源规划，为整个芯片设计出一个合理的供电网络，使最终的设计实现面积优化，并且满足功耗、时序等要求。

1 功耗预估

预设计采用75%的利用率，对该电子系统认证芯片进行了粗略的布图规划，仅设计了宽度为10 μm的电源环。为了使芯片功耗的分析结果更接近实际，对该芯片进行了布局、时钟树综合和详细布线等步骤。在时序收敛的前提下，进行功耗分析，工作电压VDD为1.8 V，得到芯片的总功耗为115.41 mW，包括开关功耗(Switehing Power)、内部功耗(Internal Power)和泄露功耗(Leakage Power)。但是芯片中存在IRDrop违规(即芯片中的电压降超过了5%VDD)，如图1所示，左上角的对话框中列出了存在IR Drop违规的地方，具体位置在版图中的深色区域。一般情况下，5%的电压降会增大10%～15%的线延迟，会产生时序违规，使芯片处于不正常的工作状态，因此，需要在后续设计中进行详细的电源规划。

式中：n为电源环的对数。

由式(3)可得所需电源环的总宽度为64.117μm。为了有效减小电源环所占据的芯片面积，该设计采用双层电源环的设计，横向采用Met-a13，Meta15;纵向采用Meta14，Meta16，因此n为2，由式(4)可得w为8.015 μm。为了给整个芯片的功耗预留一定的冗余量，并且金属线的宽度足够宽，可以降低由于电迁移导致的电路失效，从反复实践中得出，单个电源环的宽度取15 μm，可以满足该芯片电迁移和电压降的要求，设计好的电源环如图2所示。

最后，根据文档中提供的Rom核工作所需的最大电流值，设计Block Ring为Rom供电。

2.4 电源条的设计

为了解决芯片预设计时内部IR Drop违规的问题，通过设计电源条(Power Stripe)来减小芯片内部的电压降。电源条分为横向和纵向，纵向电源条宽度设为WV，横向电源条宽度设为WH，纵向电源条的间距设为SV，横向电源条的间距设为SH。一般来说，由于在横向有很多标准单元的电源/地线，因此需要的横向电源条线比纵向电源条线要少很多。

对于WV，WH和SV，SH的设定，有以下几个经验规则：

(1)WV一般取垂直布线间距(Pitch)的整数倍，其目的是充分利用布线通道。取值不能太大，一般情况下不超过最小二输入与非门宽度的4倍。

每一层金属的Pitch在物理库中都有相应的定义。SMIC的0.18μm工艺库中所定义的Meta11～Meta16的Pitch如表1所示。

SMIC的0.18μm工艺库中最小二输入与非门的宽度为1.98μm。因此，若采用Meta12或Meta14作为纵向电源条，WV取0.66～7.92μm之间0.66的整数倍值;若采用Meta16作为纵向电源条，则WV取0.95～7.92μm之间0.95的整数倍值。

(2)WH的取值一般是标准单元高度的整数倍，通常选择1倍或2倍;也可以将电源条线的宽度设为整数。SMIC 0.18μm工艺库中标准单元的高度为5.04μm，则横向电源条的宽度取5.04μm或10.08μm。

(3)在电源条金属层的选择上，根据LEF的规定，纵向选择偶数层，横向选择奇数层。由于高层金属具有较小的寄生电阻，用高层金属走线可以有效地减小电压降。

(4)确定电源条线的宽度后，需要计算其间距SV，SH。可根据文献中提出的方法进行计算。

如图3所示的电源网格，在估算出Core内部横/纵向供电金属条宽基础上，可以求出功耗为P的总电流JTOTAL=P/VDD。

假设图3中A点有5%的电压降，那么位于A点其有效电阻分别为：

式中：RVW和RHW分别是竖直方向和水平方向的参考方块电阻。

假设N为纵向电源条线的对数，M为横向电源条线的对数，则其值分别为：

最后，若所设计的纵向电源条和横向电源条是均匀分布在芯片内核，则纵向电源网格的间距SV和横向电源网格的间距SH分别为：

首先对纵向电源条进行设计。由于电源条位于芯片内部，将占据一定的布线资源，而布线器一般是优先选用底层金属开始布线，因此顶层金属的布线资源比较宽裕。并且，顶层金属比其他层金属要厚一些，电气性能也要好一些，多使用顶层金属对减小IR Drop有着很大的帮助。因此选用Meta16作为纵向电源条。根据实际情况，纵向电源条的宽度WV取为7.6 μm。芯片内核区域的宽度W为1 578.085μm，高度H为1 567.44μm，因此由上述公式可得该系统认证芯片所需电源条的总对数N为5.749，取N=6，即在芯片内核区域均匀放置6对宽度为7.6μm的Meta16电源条，每对电源条之间的间距为225.44μm。

接着进行横向电源条的设计。选用高层金属Meta15作为横向电源条，宽度取为5.04μm，由上述公式可得，所需横向电源条的总宽度为87.424 μm。但是，实际上并不需要这么多电源条，因为标准单元的电源/地都通过Metal1连接到芯片内核的两端，并且与纵向电源条相连。该设计共有标准单元行(Row)312行，每行有1对0.4μm的横向电源条，相当于有312×0.4=124.8μm的电源条，大于所需的横向电源条总宽度，已经足够供应整个芯片，使水平方向的电压降小于VDD×5%=0.09 V。

为了使水平方向的电压降更小，设计了3对宽度为5.04 μm的Metal5层横向电源条，均匀分布在芯片内核区域。电源条的设计结果如图4所示。

经过后续物理设计后，在满足时序收敛的前提下，最终详细布线后电源网络VDD功耗分析的结果如表2所示，可看出，电源规划的设计很好地改善芯片内部的IR Drop，最终芯片内部不存在IR Drop的违规，满足了功耗要求，如图5所示。

3 结语

本文主要讨论了基于RSA算法的电子系统认证芯片的电源规划。基于SMIC 0.18μm工艺，首先对该芯片进行预设计，通过对预设计进行功耗预估和布线拥塞程度的分析结果，在正式设计时提高了芯片利用率，减小了芯片的面积;并且通过详细的电源规划(包括双层电源环和电源条的设计等)消除了预设计时存在的电压降违规，使该电子系统认证芯片最终满足功耗要求和时序收敛。