Войти
В интегральных схемах, Электроэнергия распределяется между компонентами микросхемы по сети проводников на микросхеме. Проектирование электрических сетей включает в себя 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.
Сеть распределения питания распределяет напряжение питания и заземления с точек контактных площадок на все устройства в конструкции. Уменьшение размеров устройства, более высокая частота переключения и увеличение энергопотребления в глубоких субмикрометровых 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 сопротивления межсоединений, составляющих сеть, в сети происходит падение напряжения, обычно называемое IR-падением. Пакет подает токи на контактные площадки электросети либо с помощью выводов корпуса в микросхемах с проводным соединением, либо через массивы выступов C4 по технологии flip chip. Хотя сопротивление корпуса довольно мало, индуктивность выводов корпуса является значительной, что вызывает падение напряжения в местах расположения контактных площадок из-за изменяющегося во времени тока, потребляемого устройствами на кристалле. Это падение напряжения называется падением di / dt. Следовательно, напряжение, видимое на устройствах, представляет собой напряжение питания за вычетом IR-падения и di / dt-падения.
Чрезмерное падение напряжения в электросети снижает скорость переключения и запасы помехоустойчивости цепей, а также создает шум , который может привести к функциональным сбоям. Высокая средняя плотность тока приводит к нежелательному износу металлических проводов из-за электромиграции (EM). Таким образом, задача при проектировании сети распределения электроэнергии заключается в достижении отличного регулирования напряжения в точках потребления, несмотря на значительные колебания в потребляемой мощности на кристалле, и в построении такой сети с использованием минимальной площади металлических слоев. Эти проблемы проявляются в высокопроизводительных микросхемах, таких как микропроцессоры, поскольку большие объемы энергии должны распределяться через иерархию из множества металлических слоев. Надежная сеть распределения электроэнергии жизненно важна для обеспечения гарантий производительности и обеспечения надежной работы.
Емкость между силовыми и заземляющими распределительными сетями, называемая разделительными конденсаторами или декапами, 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, развязывающая емкость и корпус / межсоединение индуктивность образуют сложную цепь RLC, которая имеет свою 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 электросети должны приниматься 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 и детальная информация о паразитных характеристиках линий питания и заземления, а также токах, потребляемых транзисторами, известна. Проблемы энергосистемы, выявленные на этом этапе, обычно очень сложно 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, эффекты di / dt становятся все более серьезной проблемой в высокоскоростных конструкциях. Тактовый строб, который является предпочтительной схемой для управления питанием высокопроизводительных конструкций, может вызывать быстрые скачки в текущих потребностях макроблоков и увеличивать эффекты di / dt. Разработчики полагаются на паразитные емкости на кристалле и намеренно добавленные разделительные конденсаторы для противодействия изменениям di / dt 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.
Критическим моментом 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 в цепи не являются независимыми из-за корреляции сигналов между блоками. Это решается путем получения входных данных для отдельных блоков микросхемы из результатов логического моделирования с использованием общего набора шаблонов ввода для всей микросхемы. Важным вопросом анализа 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 методы, зависящие от вектора входных данных, и методы без вектора. 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 поиска векторов или шаблонов векторов, которые максимизируют общий ток, потребляемый из сети питания. Подходы, зависящие от входного вектора, требуют больших вычислительных ресурсов и ограничиваются схемными блоками, а не анализом всего кристалла. Кроме того, эти подходы по своей сути оптимистичны, они недооценивают падение напряжения и, таким образом, позволяют не замечать некоторые проблемы шума питания. С другой стороны, безвекторные подходы направлены 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.
Большая часть литературы по анализу энергосетей посвящена проблеме расчета наихудших падений напряжения в энергосети. 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 части упомянутых здесь потоков. Разработчик вентильной матрицы или программируемой вентильной матрицы (FPGA), например, будет выполнять только этапы проектирования, поскольку подробное использование этих частей неизвестно, когда источник питания должен быть спроектированным. Точно так же пользователь ПЛИС или вентильных матриц будет использовать только аналитическую часть, поскольку конструкция уже зафиксирована.
