對(duì)于越來越多的設(shè)計(jì)來說，IR 壓降變得越來越成問題，這表明供電網(wǎng)絡(luò) （PDN） 在需要時(shí)無法為設(shè)計(jì)的各個(gè)部分提供足夠的電流。不幸的是，這個(gè)問題沒有簡(jiǎn)單的解決方法。

過去，當(dāng)電壓高得多時(shí)，小的電壓下降并不重要。同時(shí)，電線更粗，電阻更低。最后，開關(guān)速度較慢，產(chǎn)生的電流尖峰更小。所有這些都在最近的技術(shù)節(jié)點(diǎn)上變得更糟，結(jié)果是越來越多的設(shè)計(jì)在時(shí)序上出現(xiàn)問題。

“這曾經(jīng)是一個(gè)二階問題，”Ansys（現(xiàn)隸屬于Synopsys）的產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Marc Swinnen說?！澳枰ㄟ^非常細(xì)的電線快速、大電流尖峰，這些電線對(duì)任何壓降的容差非常低。保證金一直是一條簡(jiǎn)單的出路，但保證金在空間方面非常昂貴，而且在性能上也很昂貴。

為了解決這個(gè)問題，需要更加關(guān)注供電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)?！半娋W(wǎng)開發(fā)是分區(qū)后的第一步，”西門子數(shù)字工業(yè)軟件產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān) Joe Davis 說?！暗P(guān)鍵是，在那個(gè)時(shí)候，在放置和路線之前，你不知道大門會(huì)去哪里，而且它們并不完全一樣?！?/p>

因此，PDN 設(shè)計(jì)需要在所有細(xì)節(jié)都已知之前開始?！盎炯軜?gòu)是在電池排周圍形成一個(gè)電源環(huán)，然后這些排在邊緣進(jìn)入環(huán)，”Ansys的Swinnen解釋道?！耙?yàn)楫?dāng)你沿著一排電池向下移動(dòng)時(shí)，功率會(huì)下降，所以每個(gè)電池都會(huì)消耗一些功率，因此電壓會(huì)下降。在行的中間，你有最深的落差。為了支持電源電壓，您可以在環(huán)上拉帶子。您從環(huán)的頂部到環(huán)的底部拉一條帶子，在它穿過的每一排處，您將一個(gè)過孔釘在本地電源軌上以支撐它。你有這個(gè)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。電源帶的數(shù)量，電源帶之間的間距，你擁有的越多，提供的電壓就越好。

如果電線具有更高的電阻，則存在次要問題?！凹t外壓降的問題是熱，”Empower Semiconductor客戶應(yīng)用工程總監(jiān)Luca Vassalli說?！叭绻须娏髁鬟^紅外線的電阻，它就會(huì)消耗電力。它產(chǎn)生電流平方的平方的功率。隨著電流的增加，降低電阻很重要。使用當(dāng)今的處理器，內(nèi)核可拉動(dòng) 1,000 安培。如果您在 1,000 微歐上有 100 安培，則損失了 100 瓦。100 瓦可能是處理器功率的 10%。

與所有事情一樣，總是需要權(quán)衡。使供電線變粗會(huì)使其更難布線，這會(huì)影響面積。將設(shè)備推得更遠(yuǎn)可以為電線或較粗的電線提供更多空間，但會(huì)減少連接它們的可用區(qū)域。

有人嘗試通過將電源線移至芯片背面來解決這個(gè)問題?！斑@個(gè)概念是將又大又粗的電力線移開，”西門子的戴維斯說。“這確實(shí)有幫助，但它會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)問題。它不是時(shí)間，而是熱。把電源線移開后，你可以裝進(jìn)更多的東西，而且東西可以更緊密地靠在一起。你可以更快地運(yùn)行事情，但當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，它們會(huì)變得更熱。電線的可靠性會(huì)因熱量而呈指數(shù)級(jí)下降，因此溫度越高，電阻越高，紅外壓降越大，可靠性越低。以更低的紅外壓降提供更大的電流之間存在競(jìng)爭(zhēng)，但您將產(chǎn)生更多的熱量，而必須消散這些熱量。為了利用新伎倆，我制造了一個(gè)新問題。

分層問題
當(dāng)芯片工程師專注于芯片上的走線時(shí)，該芯片可能位于系統(tǒng)內(nèi)電路板上的封裝內(nèi)的中介層上，而主電源就位于此。這創(chuàng)造了一條漫長(zhǎng)的道路，需要理解。“有很多方法可以在芯片層面驗(yàn)證這一點(diǎn)，但對(duì)于芯片/封裝/電路板問題，我們看到了很多問題，”弗勞恩霍夫 IIS 自適應(yīng)系統(tǒng)工程部高效電子部門負(fù)責(zé)人 Andy Heinig 說?！皼]有人能真正回答如何對(duì)芯片、封裝、電路板進(jìn)行供電驗(yàn)證的問題。這確實(shí)是一個(gè)懸而未決的問題。

目標(biāo)是在需要的時(shí)間將能量轉(zhuǎn)移到需要的地方，并在需要的時(shí)間以最小的損耗移動(dòng)。“造成紅外壓降的是功率級(jí)和負(fù)載之間的距離，”Empower 的 Vassalli 說?！拔覀冋谂Υ_保我們可以將功率級(jí)盡可能靠近處理器。一種方法是增加開關(guān)穩(wěn)壓器的帶寬，這反過來又允許您使用更少的電容器。如果您將開關(guān)穩(wěn)壓器的帶寬增加 10 倍，則所需的電容量會(huì)減少 10 倍。這會(huì)產(chǎn)生更多的空間。我們發(fā)現(xiàn)最好的折衷方案是將穩(wěn)壓器保持在封裝外部，但盡可能靠近封裝，因此位于 PCB 的背面。要真正實(shí)現(xiàn)封裝內(nèi)部的集成，還需要進(jìn)行另一個(gè)級(jí)別的改進(jìn)，但關(guān)于將集成穩(wěn)壓器 （IVR） 放入封裝中有很多討論。

在封裝內(nèi)，許多最大的設(shè)計(jì)都將包括一個(gè)中介層?！爸薪閷痈虞p松，”Swinnen 說?！八ǔｎ愃朴?16 納米或 35 納米技術(shù)，但你擁有更大的功率。在中介層上，通過微凸塊，你需要有電源，不僅是芯片，也許還有上面的芯片。它必須使用硅通孔 （TSV） 和這些微小凸塊通過芯片饋電。必須通過這些微小的連接饋電數(shù)百瓦。它更復(fù)雜。這是不同的。有新的元素開始發(fā)揮作用。但同樣的問題也適用。情況會(huì)變得更糟嗎？這肯定更復(fù)雜。

中介層也開始表現(xiàn)得更像 PCB?！爱?dāng)你開始獲得具有長(zhǎng)走線的中介層時(shí)，Ls [電感] 可能會(huì)成為一個(gè)問題，”戴維斯說。“你可以產(chǎn)生共鳴。在 3D-IC 中，您開始遇到與電路板上傳統(tǒng)封裝相同的信號(hào)完整性問題，但您談?wù)摰氖潜入娋€更短的東西、更短的走線，因此影響較小。但今天的中介層變得如此之大，當(dāng)你查看代工廠的路線圖和他們計(jì)劃將數(shù)百個(gè)芯片組合在一起的系統(tǒng)時(shí)，L 和 C 的 [電容] 會(huì)產(chǎn)生重大影響，而 K [電導(dǎo)]，以及一大堆其他因素。

多芯片組件對(duì)許多芯片制造商來說是新的，因此工程師可能不太熟悉這些挑戰(zhàn)?！跋冗M(jìn)封裝引入了非傳統(tǒng)的供電路徑，”Ansys首席產(chǎn)品經(jīng)理Takeo Tomine說?！斑@包括 TSV、微凸塊、混合鍵和中介層。這些都會(huì)增加電阻和電感，使電源完整性進(jìn)一步復(fù)雜化。在 DDR PHY 中，早期分析可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，將 I/O 驅(qū)動(dòng)器放置在離主電源抽頭太遠(yuǎn)的地方會(huì)導(dǎo)致在同時(shí)開關(guān)輸出 （SSO） 事件期間出現(xiàn)過多的 IR 壓降，從而促使修改布局以縮短電源路徑。同樣，在數(shù)百個(gè) I/O 通道并發(fā)運(yùn)行的 HBM 設(shè)計(jì)中，及早檢測(cè) PHY 或控制器區(qū)域中的局部 IR 壓降可以指導(dǎo)分區(qū)策略，以隔離大電流域并提高電網(wǎng)粒度。

共同設(shè)計(jì)它們將是顯而易見的答案?！白鳛楣こ處?，我們解決所有問題的方式——使用邊界條件，”戴維斯說?！皬倪@個(gè)接口到這個(gè)接口，從這里到這里，我只能在這個(gè)骰子上掉這么多。我可以在這些邊界條件下將其相加。它被劃分和分配，以便每個(gè)部分都能獲得其預(yù)算的一部分。如果你看看 HBM，它們正在將內(nèi)存芯片堆疊成 8 和 12 高。每一個(gè)之間都有一個(gè)過孔，你必須從底部向頂部供電。紅外壓降，從電源引腳一直到頂部，是他們性能范圍的很大一部分，因此他們必須像這樣劃分它。

當(dāng)涉及安全性和可靠性時(shí)，這些問題會(huì)變得更大。“我們?cè)谄囶I(lǐng)域遇到了問題，因?yàn)楣δ馨踩笸耆磺宄?，”弗勞恩霍夫的海尼格說。“你在功能方面的功能安全上花費(fèi)了如此多的精力，然后我們?cè)诠╇娋W(wǎng)絡(luò)上有很多不確定性。我們有來自供電網(wǎng)絡(luò)的單點(diǎn)故障。

汽車在這一領(lǐng)域面臨著許多問題。“汽車行業(yè)開始進(jìn)入先進(jìn)節(jié)點(diǎn)，他們面臨著一個(gè)問題，因?yàn)槿绻麄冏裱写ひ?guī)則，他們就無法設(shè)計(jì)出有競(jìng)爭(zhēng)力的芯片，”戴維斯說。“沒有解決方案空間，因此他們正在研究代工廠使用的電遷移規(guī)則的嚴(yán)格性。今天使用的規(guī)則是建立在布萊克方程組之上的，但這些方程忽略了它是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的事實(shí)。它是一個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)。只有在少數(shù)幾個(gè)地方，我只有一條路徑可以向大門輸送電力。如果我的一個(gè)部分的電阻略有增加，那么該電力將通過另一條途徑傳遞。真正的基于物理的可靠性分析表明，布萊克方程組和當(dāng)前模型不僅給出了悲觀的結(jié)果，而且在許多情況下是完全錯(cuò)誤的結(jié)果。

功能層次結(jié)構(gòu)
除了芯片、封裝和電路板的層次結(jié)構(gòu)之外，還有一個(gè)影響供電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的功能層次結(jié)構(gòu)。這也會(huì)導(dǎo)致多個(gè)問題，例如平均電流需求、峰值需求以及隨時(shí)間變化的需求?！拔覀儾⒉煌耆_定，尤其是當(dāng)我們必須考慮數(shù)百個(gè)用例時(shí)，我們對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)的要求是什么，”Heinig 說?！叭绻覀?cè)谧畲笙拗葡聺M足要求，我們就無法設(shè)計(jì)這樣的網(wǎng)絡(luò)。這是不可能的，我們必須處理普通病例。但沒有人知道這些平均案例是否代表用例。

平均值通常不考慮功能?！霸谌魏螘r(shí)間點(diǎn)，有些閘門正在切換，有些則不會(huì)。但你可以將其平均化，凈凈值，當(dāng)你的電源必須為 1,000 個(gè)門供電時(shí)，它會(huì)看到平均電流消耗，“Swinnen 說?！澳憧梢栽O(shè)計(jì)成平均消耗得到電力網(wǎng)絡(luò)的良好支持。然后還有動(dòng)態(tài)壓降，即特定時(shí)間的特定柵極都一起切換，突然出現(xiàn)需要供電的局部尖峰。這是電流中瞬態(tài)的、與時(shí)間相關(guān)的峰值。

但并非所有這些都可能是問題?！靶疫\(yùn)的是，峰值電流的定義通常非常狹窄，而且沒有很多同時(shí)達(dá)到峰值的門，”戴維斯說。隨著設(shè)計(jì)將更多的網(wǎng)絡(luò)推向臨界點(diǎn)，您的松弛度幾乎為零。您必須檢查平均值和峰值，并確保不僅查看該柵極上的紅外壓降，還查看其對(duì)時(shí)序的影響。一個(gè)門可能有 10% 的 IR 下降，根據(jù)大多數(shù)傳統(tǒng)指標(biāo)，這是違規(guī)的。但如果它處于一條遠(yuǎn)未危急的路徑上，它可能就無關(guān)緊要了。

找到這些峰值可能很困難，因?yàn)椴⒎撬蟹逯祵?shí)際上都是可能的?！叭绻阌幸粋€(gè)多核處理器系統(tǒng)，如果你假設(shè)它們都可以以最大速率運(yùn)行，然后看看功耗，你離你真正能提供的東西還很遠(yuǎn)，”Heinig 說?！斑@是一個(gè)死用例，因?yàn)槟阌肋h(yuǎn)不能以這種方式使用該系統(tǒng)。沒有用例是所有內(nèi)核都全速運(yùn)行，并且無法提供能夠提供 100% 負(fù)載的供電網(wǎng)絡(luò)。

這造成了兩難境地。“人們已經(jīng)開始使用他們所謂的無向量分析，這是一種虛構(gòu)的向量，”戴維斯說。“它說，'我不知道你要跑什么，所以讓我們把這個(gè)假設(shè)的最壞情況放在一起。'但是當(dāng)你有這么大的骰子時(shí)，你還要做什么？其他客戶說，'我不相信這一點(diǎn)。我將選擇一些我將要使用的向量。你如何科學(xué)地做到這一點(diǎn)？他們開發(fā)了似乎有效的流程，但它是否在探索了最糟糕的角落的意義上簽字？祝你好運(yùn)。

情況變得更糟。“這也是軟件，”Heinig 說。“這里的問題是他們?cè)陂_發(fā)階段繼續(xù)開發(fā)軟件。您可能為他們一開始提供的特定配置文件設(shè)計(jì)了它，但隨后他們更改了軟件。您必須在硬件開發(fā)的同時(shí)進(jìn)行軟件開發(fā)。這意味著你需要一些假設(shè)，你說，'我們從這個(gè)用例開始，但由于潛在的軟件變化，我們必須增加 20% 或 30% 的利潤(rùn)。但我們事先并不知道這一點(diǎn)。

模型和仿真
要執(zhí)行任何類型的分析，都需要模型。“EMIR 中的所有內(nèi)容都是一個(gè)近似游戲，因?yàn)樽罱K，為了獲得最準(zhǔn)確的答案，我們正在對(duì)整個(gè)芯片進(jìn)行完整的寄生效應(yīng)電氣模擬，”Davis 說。“這也許是整個(gè)過程中成本最高的一步。您必須近似該值才能進(jìn)行早期分析。這些模型是根據(jù)它們?cè)谠O(shè)計(jì)、架構(gòu)和分區(qū)方面的歷史構(gòu)建的。

當(dāng)您沒有設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的所有內(nèi)容時(shí)，這無濟(jì)于事?！叭绻酒且粋€(gè)黑匣子，那么芯片的供電網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)黑匣子，”Heinig 說?！拔覀儾恢牢覀儽仨毴绾螌?duì)此進(jìn)行建模。這是我們?yōu)樾酒@得的一個(gè)非常抽象的模型，我們完全不清楚我們是否在封裝模擬中做了正確的事情。我可以告訴你的是，我們肯定需要更準(zhǔn)確的組件模型，特別是如果它們是黑匣子。我們還需要處于探索階段的模型，以便我們可以進(jìn)行早期預(yù)測(cè)或路線研究。

小芯片可能會(huì)有所幫助。“如果我以前已經(jīng)制造過這個(gè)芯片，那么它可以被表征，我知道它在不同活動(dòng)下的表現(xiàn)如何，”戴維斯說?！坝?IP 和小芯片是設(shè)計(jì)電力傳輸?shù)暮梅椒?，因?yàn)橐坏?shí)施，您就可以對(duì)其進(jìn)行表征。除此之外，還有一些可以改進(jìn)的近似方法。一位統(tǒng)計(jì)建模之父說，所有模型都是錯(cuò)誤的。有些是有用的。

早期分析可以省去很多麻煩。Ansys的Tomine表示：“早期分析在降低PDN相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，影響分區(qū)、平面規(guī)劃和電網(wǎng)拓?fù)涞燃軜?gòu)決策?！斑@些避免了昂貴的后期重新設(shè)計(jì)。通過在布局最終確定之前盡早進(jìn)行電源完整性檢查，設(shè)計(jì)人員可以主動(dòng)識(shí)別容易出現(xiàn)紅外壓降的區(qū)域，并相應(yīng)地調(diào)整塊放置、布線通道和去帽分配。

延遲發(fā)現(xiàn)的問題可能會(huì)代價(jià)高昂?！斑@一直是紅外液滴分析的錯(cuò)誤之一，”Swinnen 說。“修復(fù)它非常困難，因?yàn)楫?dāng)你檢測(cè)到它并分析它時(shí)，你已經(jīng)走得很遠(yuǎn)了，你的時(shí)間也得到了平衡，以至于你真的不想開始弄亂你的設(shè)計(jì)來修復(fù)紅外壓降。您需要在設(shè)計(jì)的早期、放置階段進(jìn)行良好的紅外壓降分析，這樣您仍然可以輕松修改放置，將這些侵襲單元分散得更遠(yuǎn)，并解決需求問題。

模擬運(yùn)行非常昂貴?！斑@種模擬是一種具有近似值的非線性 SPICE 模擬，”Davis 說。“寄生效應(yīng)是近似值，其中 5% 用于簽核是典型的。一切都是近似值，因此它是一個(gè)可以解決的問題。否則，你甚至無法做到這一點(diǎn)。您通常在一種溫度和幾種不同的場(chǎng)景下進(jìn)行作。您識(shí)別熱點(diǎn)，分析這些熱點(diǎn)，然后迭代。你盡早這樣做——盡可能早——因?yàn)樽詈鬄闀r(shí)已晚。如果你等到 DRC 清理、LVS 清理之后，你別無選擇。您可以進(jìn)行本地改道，或者您只需與鑄造廠一起揮手。人們會(huì)為紅外問題旋轉(zhuǎn)芯片，偶爾會(huì)出現(xiàn)逃逸導(dǎo)致硅故障的情況。這些通常會(huì)識(shí)別一些沒有人認(rèn)為會(huì)發(fā)生的極端情況。

“對(duì)于現(xiàn)代最先進(jìn)的芯片，我們正在考慮該模型中僅用于配電網(wǎng)絡(luò)的 600 億到 1000 億個(gè)電氣節(jié)點(diǎn)，”Swinnen 說?！澳阈枰粋€(gè)求解器，它可以快速求解一個(gè) 600 億節(jié)點(diǎn)的電路，并對(duì)其進(jìn)行巧妙的減少。傳統(tǒng)上，客戶會(huì)選擇一個(gè)角，因?yàn)樗枰銐蜷L(zhǎng)的時(shí)間，而且沒有人清楚多個(gè)角對(duì)紅外壓降意味著什么。這是一個(gè)新興領(lǐng)域。

設(shè)計(jì)的某些部分，例如模擬和高速 SerDes，是需要仔細(xì)設(shè)計(jì)的明顯部分。“一些互連具有關(guān)鍵信號(hào)，我們必須非常小心地布線它們，”Heinig 說?！斑@不僅是壓降，還有噪聲。如果域之間存在耦合，這可能并不明顯，我們從供應(yīng)商那里得到的唯一指導(dǎo)是避免耦合。但這是不可能的。域之間允許的最大耦合是多少，以便我們滿足噪聲要求目標(biāo)？

這也是設(shè)計(jì)技巧被利用的地方?！澳阍噲D增加電容，與其說是使用顯式電容器，不如說是通過盡可能多地重疊電源和接地，”Swinnen 說?！半娫淳€之間只有一層絕緣體層，形成一個(gè)電容器，一個(gè)寄生電容器。但這是寄生電容實(shí)際上是正值的一種情況。您嘗試最大化 PDN 中電源對(duì)地的寄生電容，以提供這種電容去耦。

結(jié)論
如果沒有強(qiáng)大的供電網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)代設(shè)計(jì)將存在嚴(yán)重的紅外壓降問題。同時(shí)，設(shè)計(jì)中的更多路徑變得至關(guān)重要，這意味著如果不進(jìn)行大量分析，芯片將無法在目標(biāo)頻率下運(yùn)行，或者它只是失敗。

該行業(yè)尚未開發(fā)出滿足所有簽核需求的方法，同時(shí)還能夠使用一致的模型和場(chǎng)景進(jìn)行早期分析。為了滿足這些需求，額外的投資即將到來，而這首先要追溯到基礎(chǔ)物理學(xué)。以此為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，更好的解決方案可能是可能的。