Проектирование электросетей (ИС)

Верхний слой металлических проводников этой схемы процессора почти полностью используется для распределения питания на кристалле.

При проектировании интегральных схем проектирование силовых сетей — это анализ и проектирование проводящих сетей на кристалле, которые распределяют электроэнергию на кристалле. Как и в любом проектировании, здесь приходится идти на компромиссы: сеть должна иметь достаточную производительность, быть достаточно надежной, но не должна использовать больше ресурсов, чем требуется.

Функция

Сеть распределения электроэнергии распределяет напряжение питания и заземления от контактных площадок ко всем устройствам в проекте. Уменьшение размеров устройств , более высокие частоты переключения и увеличение энергопотребления в субмикрометровых технологиях приводят к протеканию больших коммутационных токов в силовых и заземленных сетях, что снижает производительность и надежность. Надежная распределительная сеть необходима для обеспечения надежной работы схем на кристалле. Проверка целостности источника питания является критической проблемой в высокопроизводительных конструкциях.

Аспекты дизайна

Из-за сопротивления межсоединений, составляющих сеть, в сети возникает падение напряжения, обычно называемое IR-падением . Пакет подает ток на контактные площадки электросети либо с помощью выводов корпуса в микросхемах с проводным соединением, либо через матрицы C4 в флип-чипов технологии . Хотя сопротивление корпуса довольно мало, индуктивность выводов корпуса значительна, 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 . Таким образом, напряжение, наблюдаемое на устройствах, представляет собой напряжение питания за вычетом падения IR и падения di/dt.

Чрезмерные падения напряжения в электросети снижают скорость переключения и запас шума цепей, а также создают шум, который может привести к функциональным сбоям . Высокие средние плотности тока приводят к нежелательному износу металлических проводов за счет электромиграции (ЭМ). Таким образом, задача проектирования сети распределения электроэнергии состоит в том, чтобы добиться превосходного регулирования напряжения в точках потребления, несмотря на значительные колебания потребляемой мощности на кристалле, и построить такую ​​сеть с использованием минимальной площади металлических слоев. Эти проблемы особенно заметны в высокопроизводительных чипах, таких как микропроцессоры , поскольку большое количество энергии должно распределяться через иерархию многих металлических слоев. Надежная распределительная сеть имеет жизненно важное значение для соблюдения гарантий производительности и обеспечения надежной работы.

Емкость между распределительными сетями питания и заземлением, называемая развязывающими конденсаторами или развязывающими конденсаторами , действует как локальное хранилище заряда и помогает снизить падение напряжения в точках питания. Паразитная емкость между металлическими проводами линий питания, емкость устройства непереключающих устройств и емкость между N-лункой и подложкой возникают как неявная развязывающая емкость в распределительной сети. К сожалению, этой неявной развязывающей емкости иногда недостаточно, чтобы ограничить падение напряжения в безопасных пределах, и разработчикам часто приходится добавлять намеренно явные структуры развязывающей емкости на кристалле в стратегически важных местах. Эти явно добавленные развязывающие емкости не являются бесплатными и увеличивают площадь и энергопотребление кристалла. Паразитное сопротивление межсоединений , развязывающая емкость и индуктивность корпуса/межсоединения образуют сложную RLC-цепь , имеющую собственную резонансную частоту. Если резонансная частота близка к рабочей частоте конструкции, в сети могут возникнуть большие падения напряжения.

Суть проблемы проектирования электросетей заключается в том, что до самого конца цикла проектирования остается множество неизвестных. Тем не менее, решения о структуре, размере и расположении электросети приходится принимать на очень ранних стадиях, когда большая часть проектирования микросхем еще даже не началась. К сожалению, большинство коммерческих инструментов ориентированы на проверку электросети после компоновки, когда вся конструкция микросхемы завершена и известна подробная информация о паразитных характеристиках линий питания и земли, а также токах, потребляемых транзисторами. Проблемы электросети, выявленные на этом этапе, обычно очень сложно или дорого устранить, поэтому предпочтительные методологии помогают спроектировать первоначальную энергосистему и постепенно совершенствовать ее 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 стробирование , которое является предпочтительной схемой управления питанием в высокопроизводительных конструкциях, может вызвать быстрые скачки потребляемого тока макроблоков и увеличить di/dt эффекты . Разработчики полагаются на встроенные в кристалл паразитные емкости и намеренно добавленные развязывающие конденсаторы для противодействия di/dt изменениям напряжения . Но необходимо точно смоделировать индуктивность и емкость корпуса и микросхемы и проанализировать сетку с помощью таких моделей, поскольку в противном случае величина добавляемой развязки может быть недооценена или завышена. Также необходимо поддерживать эффективность анализа даже при включении этих подробных моделей.

Анализ

Критической проблемой при анализе энергетических сетей является большой размер сети (обычно миллионы узлов в современном микропроцессоре). Моделирование всех нелинейных устройств в чипе вместе с электросетью вычислительно невозможно. Чтобы сделать размер управляемым, моделирование выполняется в два этапа. Сначала моделируются нелинейные устройства, предполагая идеальные напряжения питания, и измеряются токи, потребляемые этими устройствами. Далее эти устройства моделируются как независимые переменные во времени источники тока для моделирования электросети и измеряются падения напряжения на транзисторах. Поскольку падение напряжения обычно составляет менее 10% от напряжения источника питания, ошибка, возникающая из-за игнорирования взаимодействия между токами устройства и напряжением питания, невелика. Выполняя эти два шага, задача анализа электросети сводится к решению линейной сети, которая все еще довольно велика. Чтобы еще больше уменьшить размер сети, мы можем использовать иерархию в моделях распределения мощности.

Токи цепи не являются независимыми из-за корреляции сигналов между блоками. Эта проблема решается путем получения входных данных для отдельных блоков микросхемы из результатов логического моделирования с использованием общего набора входных шаблонов для всего чипа. Важным вопросом анализа энергосистемы является определение того, какими должны быть эти входные схемы. Для анализа ИК-падений необходимы модели, создающие максимальные мгновенные токи, тогда как для целей электромиграции интерес представляют модели, создающие большие устойчивые (средние) токи.

Анализ электросети можно разделить на зависимости от входного вектора. методы и безвекторные методы. Методы, зависящие от шаблона входного вектора, используют методы поиска для поиска набора входных шаблонов, которые вызывают худшее падение в сетке. В литературе был предложен ряд методов, в которых используются генетические алгоритмы или другие методы поиска для поиска векторов или набора векторов, которые максимизируют общий ток, потребляемый из сети питания. Подходы, зависящие от шаблона входного вектора, требуют больших вычислительных ресурсов и ограничиваются схемными блоками, а не анализом всего кристалла. Более того, эти подходы по своей сути оптимистичны: они недооценивают падение напряжения и, таким образом, позволяют некоторым проблемам с шумом питания оставаться незамеченными. С другой стороны, безвекторные подходы направлены на эффективное вычисление верхней границы падения в наихудшем случае. Преимущество этих подходов заключается в том, что они быстры и консервативны, но иногда они слишком консервативны, что приводит к чрезмерному проектированию.

Большая часть литературы по анализу электросетей посвящена вопросу расчета наихудших падений напряжения в электросети. Электромиграция представляет собой не менее серьезную проблему, но для борьбы с ней используются почти одинаковые методы. Вместо напряжения в каждом узле ЭМ-анализ определяет ток в каждой ветви, а вместо ограничения по напряжению существует ограничение тока для каждого провода, в зависимости от его слоя и ширины.

Другие приложения IC могут использовать только часть упомянутых здесь потоков. Например, разработчик вентильной матрицы или программируемой пользователем вентильной матрицы (FPGA) будет выполнять только этапы проектирования, поскольку подробное использование этих частей неизвестно, когда необходимо проектировать источник питания. Аналогично, пользователь FPGA или вентильных матриц будет использовать только часть анализа, поскольку конструкция уже фиксирована.

См. также

• Силовое стробирование

Ссылки

• Справочник по автоматизации проектирования электронных систем для интегральных схем , автор: Лаваньо, Мартин и Шеффер, ISBN   0-8493-3096-3 Обзор области автоматизации электронного проектирования . Это краткое изложение было взято (с разрешения) из тома II, главы 20 « Проектирование и анализ сетей электроснабжения» , написанного Дэвидом Блаау , Санджаем Пантом, Раджатом Чаудри и Раджендраном Пандой.