Проект силовой сети (IC) - Power network design (IC)

В интегральные схемы, электрическая мощность распределяется между компонентами микросхемы по сети проводников на микросхеме. Проектирование электросети включает анализ и проектирование таких сетей. Как и во всем инженерном деле, здесь требуются компромиссы - сеть должна иметь адекватную производительность, быть достаточно надежной, но не должна использовать больше ресурсов, чем требуется.

Вступление

Сеть распределения электроэнергии распределяет напряжение питания и заземления от подушечка местоположения для всех устройств в дизайне. Размеры термоусадочного устройства Более высокие частоты переключения и увеличивающееся энергопотребление в глубоких субмикрометрических технологиях вызывают протекание больших коммутируемых токов в сетях питания и заземления, что снижает производительность и надежность. Для обеспечения надежной работы схем на кристалле необходима надежная распределительная сеть. Проверка целостности источника питания является важной задачей в высокопроизводительных проектах. Из-за сопротивление межсоединений, составляющих сеть, наблюдается падение напряжения в сети, обычно называемое ИК-капля. Пакет подает токи на контактные площадки электросети либо с помощью выводов корпуса в микросхемах с проволочным соединением, либо через Массивы выступов C4 в перевернуть чип технологии. Несмотря на то, что сопротивление упаковки невелико, индуктивность Количество выводов корпуса является значительным, что вызывает падение напряжения в местах расположения контактных площадок из-за изменяющегося во времени тока, потребляемого устройствами на кристалле. Это падение напряжения называется di / dt-drop. Следовательно, напряжение, видимое на устройствах, представляет собой напряжение питания за вычетом IR-падения и di / dt-падения.

Чрезмерные падения напряжения в электросети уменьшают скорость переключения и запаса помехоустойчивости цепей, и ввести шум, который может привести к функциональным сбоям. Высокая средняя плотность тока приводит к нежелательному износу металлических проводов из-за электромиграция (ЭМ). Таким образом, задача при проектировании сети распределения электроэнергии состоит в достижении отличного регулирования напряжения в точках потребления, несмотря на значительные колебания в потребляемой мощности на кристалле, и в создании такой сети с использованием минимальной площади металлических слоев. Эти проблемы характерны для высокопроизводительных микросхем, таких как микропроцессоры, так как большое количество энергии должно распределяться через иерархию многих металлических слоев. Прочная сеть распределения электроэнергии жизненно важна для обеспечения гарантий производительности и надежной работы.

Емкость между силовыми и наземными распределительными сетями, называемая развязывающие конденсаторы или же декапсы, действует как локальный накопитель заряда и помогает уменьшить падение напряжения в точках питания. Паразитная емкость между металлическими проводами линий питания, емкость устройства без переключающих устройств и емкость между N-колодцем и подложкой возникают как неявная развязывающая емкость в сети распределения электроэнергии. К сожалению, этой неявной развязывающей емкости иногда недостаточно, чтобы ограничить падение напряжения в безопасных пределах, и разработчикам часто приходится добавлять преднамеренные явные структуры развязывающей емкости на кристалле в стратегических местах. Эти явно добавленные развязывающие емкости не являются бесплатными и увеличивают площадь и потребляемую мощность утечки микросхемы. Паразитное межсоединение сопротивление, развязка емкость и пакет / межсоединение индуктивность образовывать комплекс Схема RLC который имеет собственную резонансную частоту. Если резонансная частота близка к рабочей частоте конструкции, в сети могут возникнуть большие перепады напряжения.

Суть проблемы при проектировании энергосистемы состоит в том, что до самого конца цикла проектирования остается много неизвестных. Тем не менее решения о структуре, размере и расположении энергосистемы необходимо принимать на очень ранних стадиях, когда большая часть проектирования микросхемы еще даже не началась. К сожалению, большинство коммерческих инструментов сосредотачиваются на проверке электросети после компоновки, когда вся конструкция микросхемы завершена, а подробная информация о паразитных характеристиках линий питания и заземления, а также токах, потребляемых транзисторами, известна. Проблемы энергосистемы, выявленные на этом этапе, обычно очень трудно или дорого исправить, поэтому предпочтительные методики помогают спроектировать начальную энергосистему и постепенно ее улучшать на различных этапах проектирования.

Из-за роста энергопотребления и скорости переключения современных высокопроизводительных микропроцессоров di / dt Эффекты становятся все более актуальными в высокоскоростных проектах. Стробирование часов, которая является предпочтительной схемой для управления питанием высокопроизводительных конструкций, может вызывать быстрые скачки в текущих потребностях макроблоков и увеличивать di / dt последствия. Разработчики полагаются на паразитные емкости на кристалле и намеренно добавленные разделительные конденсаторы, чтобы противодействовать di / dt вариации напряжения. Но необходимо точно смоделировать индуктивность и емкость корпуса и микросхемы и проанализировать сетку с помощью таких моделей, так как в противном случае количество добавляемой развязки может быть недооценено или переоценено. Также необходимо поддерживать эффективность анализа даже при включении этих подробных моделей.

Важнейшей проблемой при анализе электрических сетей является большой размер сети (обычно миллионы узлов в современном микропроцессоре). Моделирование всех нелинейных устройств в микросхеме вместе с электросетью невозможно с вычислительной точки зрения. Чтобы сделать размер управляемым, моделирование выполняется в два этапа. Во-первых, моделируются нелинейные устройства, предполагая, что измеряются идеальные напряжения питания и токи, потребляемые устройствами. Затем эти устройства моделируются как независимые изменяющиеся во времени источники тока для моделирования энергосистемы и измеряются падения напряжения на транзисторах. Поскольку падение напряжения обычно составляет менее 10% от напряжения источника питания, ошибка, вызванная игнорированием взаимодействия между токами устройства и напряжением питания, мала. Выполняя эти два шага, задача анализа энергосистемы сводится к решению линейной сети, которая все еще довольно велика. Чтобы еще больше уменьшить размер сети, мы можем использовать иерархию в моделях распределения мощности.

Обратите внимание, что токи схемы не являются независимыми из-за корреляции сигналов между блоками. Это решается путем получения входных данных для отдельных блоков микросхемы из результатов логическое моделирование используя общий набор шаблонов ввода для всей микросхемы. Важным вопросом в анализе энергосистемы является определение того, какими должны быть эти входные схемы. Для анализа ИК-капель требуются схемы, которые производят максимальные мгновенные токи, тогда как для целей электромиграции представляют интерес схемы, производящие большие устойчивые (средние) токи.

Анализ энергосистемы можно разделить на зависит от входного вектора^[1]^[2] методы и безвекторный^[3] методы. Методы, зависящие от входного вектора, используют методы поиска, чтобы найти набор входных шаблонов, которые вызывают наихудшее падение в сетке. В литературе был предложен ряд методов, в которых используются генетические алгоритмы или другие методы поиска для нахождения векторов или набора векторов, которые максимизируют общий ток, потребляемый из сети электроснабжения. Подходы, зависящие от входного вектора, требуют больших вычислительных ресурсов и ограничиваются блоками схем, а не анализом всего кристалла. Кроме того, эти подходы по своей сути оптимистичны, недооценивают падение напряжения и, таким образом, позволяют не замечать некоторые проблемы с шумом питания. С другой стороны, безвекторные подходы нацелены на эффективное вычисление верхней границы для наихудшего падения. Преимущество этих подходов в том, что они быстрые и консервативные, но иногда они слишком консервативны, что приводит к чрезмерному проектированию.^[4]

Большая часть литературы по анализу электросетей посвящена вопросу расчета наихудших падений напряжения в электросети. Электромиграция - не менее серьезная проблема, но для борьбы с ней используются почти идентичные методы. Вместо напряжения в каждом узле EM-анализ решает для тока в каждой ветви, и вместо ограничения напряжения существует ограничение тока на каждый провод, в зависимости от его слоя и ширины.

Другие приложения IC могут использовать только часть упомянутых здесь потоков. А массив ворот или же программируемая вентильная матрица Например, разработчик (FPGA) будет выполнять только этапы проектирования, поскольку подробное использование этих частей неизвестно, когда должен быть разработан источник питания. Точно так же пользователь ПЛИС или вентильных матриц будет использовать только аналитическую часть, поскольку конструкция уже зафиксирована.

Смотрите также

Стробирование мощности

Проект силовой сети (IC) - Power network design (IC)

Вступление

Смотрите также

Рекомендации