Ընդհանուր ակնարկ
Power-delivery network-ը (PDN) interconnect-ի բարդ շղթան է — regulator, board, package և բյուրեղիկի վրայի metal — որը հոսանք է հասցնում աղբյուրից մինչև յուրաքանչյուր տրանզիստոր։ Երբ process node-երը փոքրանում են, wire-ի լայնությունները նվազում են, իսկ resistance-ը մեծանում է, ինչը սնուցման լարման drop-ը և noise-ը դարձնում է ժամանակակից չիպի դիզայնի ամենակարևոր signoff մտահոգություններից մեկը։
Power integrity-ն ավելի ու ավելի է դիտվում որպես chip-package-system (CPS) խնդիր. PI-ի ճշգրիտ գնահատումը պահանջում է modeling անել բյուրեղիկի, package-ի և board-ի միջև էլեկտրական փոխազդեցությունը միասին, ոչ թե չիպը մեկուսացված վիճակում։
Power Delivery Network (PDN)
Պարզեցված բյուրեղիկի վրայի PDN. ծայրամասային power ring-ը և բյուրեղիկով անցնող strap-երը կրում են bulk հոսանքը ցածր resistance-ով, մանրահատիկ rail-երը (խոշորացված) հոսանք են հասցնում ուղղակիորեն յուրաքանչյուր ստանդարտ բջիջի շարքին։
PDN-ը via-ներով միացված metal layer-ների հիերարխիկ grid է, որը power է բաշխում package pin/bump-երից ներքև՝ մինչև առանձին ստանդարտ բջիջները։ Այն սովորաբար բաղկացած է՝
Rings & Straps
Լայն upper-metal power ring-եր core-ի շուրջ և strap-եր, որոնք անցնում են բյուրեղիկի վրայով՝ bulk հոսանքը ցածր resistance-ով կրելու համար։
Rails
Մանրահատիկ lower-metal power rail-եր, որոնք անցնում են ստանդարտ բջիջի շարքերի երկայնքով՝ հոսանք հասցնելով առանձին gate-երին։
IR Drop
IR drop-ը լարման կորուստն է, որ առաջանում է, երբ հոսանքը հոսում է resistive PDN-ի միջով։ Երբ բջիջի սնուցման pin-ի լարումն ընկնում է իր սպասվող մակարդակից ցածր, բջիջի drive strength-ը և switching speed-ը վատանում են, ինչը կարող է չբավարարել ժամանակային կամ switching-ի threshold-ներին և պոտենցիալ հանգեցնել ֆունկցիոնալ խափանման։ IR drop վերլուծությունը համարվում է power integrity signoff-ի ամենակարևոր մասը։
Աղբյուրից հեռու գտնվող բջիջը տեսնում է իր path-ի երկայնքով յուրաքանչյուր հատվածի կուտակված drop-ը — ահա թե ինչու մեծ block-ի կենտրոնում, power ring-ից ամենահեռու գտնվող բջիջները սովորաբար ամենավատ IR-drop խախտողներն են։
Ձախում. լարումը նվազում է (կապույտ → կարմիր) բյուրեղիկի վրայով power source-ից հեռավորության հետ։ Աջում. նույն նվազումը գծագրված է որպես լարում vs. հեռավորություն — աղբյուրից ամենահեռու բջիջները ռիսկ ունեն ընկնելու functional նվազագույն լարումից ցածր։
Static IR Drop
Առաջանում է resistive power grid-ի վրայով միջին լարման շեղումից՝ steady-state հոսանքի սպառման պայմաններում։ Ավելի հեշտ է հաշվարկել, օգտագործվում է վաղ և լայն signoff ստուգումների համար։
Dynamic IR Drop
Առաջանում է լոկալ, ժամանակի ընթացքում փոփոխվող switching activity-ից և հոսանքի surge-երից։ Պահանջում է time-domain վերլուծություն, որը միասին modeling է անում grid-ի resistance-ը, capacitance-ը և inductance-ը՝ switching հոսանքի source-երի հետ — ավելի ճշգրիտ, բայց ավելի ծախսատար վերլուծություն։
Decoupling կոնդենսատորներ (Decaps)
Decoupling կոնդենսատորը (decap) տեղադրվում է որպես փոքր լոկալ լիցքի պահեստարան ուղղակիորեն ստանդարտ բջիջի սնուցման pin-երի մոտ կամ վրա։ Երբ gate-ը switch է անում, այն քաշում է հոսանքի պոռթկում. առանց մոտակա decap-ի՝ այդ հոսանքը պիտի ամբողջ ճանապարհով վերադառնա resistive/inductive PDN-ի միջով դեպի աղբյուր՝ իջեցնելով լոկալ սնուցումը։ Զուգահեռ դրված decap-ով՝ այդ ակնթարթային հոսանքի մեծ մասը մատակարարվում է լոկալ, ուստի rail-ը հազիվ է շարժվում։
Առանց մոտակա decap-ի՝ switching հոսանքը պիտի վերադառնա resistive PDN-ի միջով՝ իջեցնելով լոկալ VDD/VSS rail-երը A node-ում։ Բջիջի մոտ տեղադրված decoupling cap-ը (Cᴇ) այդ լիցքը մատակարարում է լոկալ՝ պահելով սնուցումը կայուն։
Որտեղ ΔI-ն switching-ի ընթացքում հոսանքի քայլն է, Δt-ն արձագանքման ժամանակն է, նախքան PDN/regulator-ը կարողանա արձագանքել, իսկ ΔVallowed-ը լարման առավելագույն թույլատրելի ripple-ն է։ Դիզայներները decap-ը budget են անում այնպես, որ PDN-ի impedance-ը մնա Ztarget-ից ցածր՝ համապատասխան հաճախականությունների միջակայքում։
Decoupling կոնդենսատորները լոկալ լիցք են մատակարարում switching հոսանքի spike-ի ընթացքում՝ լարման անկումը ծանծաղ պահելով (teal)՝ համեմատած undecoupled սնուցման հետ (կարմիր), որը կարող է իջնել functional նվազագույնից ցածր։
Decoupling կոնդենսատորները տեղադրվում են design-ի ողջ ընթացքում՝ տրանզիստորները կայուն լարումով ապահովելու համար՝ չնայած switching noise-ին և հեռավոր power երթուղավորմանը։ Դրանք գործում են որպես լոկալ լիցքի պահեստարաններ, որոնք՝
Հարթեցնում են լարման spike-երը
Կլանում են մոտակա switching logic-ի հանկարծակի հոսանքի պահանջը, նախքան այն կտարածվի որպես noise։
Նվազեցնում են IR drop-ը & Ldi/dt-ն
Լոկալ լիցք են մատակարարում peak switching activity-ի ընթացքում՝ նվազեցնելով և՛ resistive drop-ը, և՛ inductive transient-ները։
Electromigration (EM)
Electromigration-ը interconnect-ում metal ատոմների աստիճանական տեղաշարժն է, որն առաջանում է կայուն բարձր հոսանքի density-ից. «էլեկտրոնային քամին» ֆիզիկապես հրում է metal ion-ները wire-ի երկայնքով ժամանակի ընթացքում՝ ի վերջո մի ծայրում void բացելով, մյուսում hillock կուտակելով։ Առանց հսկողության սա հանգեցնում է open-երի, short-երի կամ մեծացած resistance-ի — դանդաղ, կուտակվող խափանման ռեժիմ, ոչ թե ակնթարթային, ահա թե ինչու այն budget է արվում չիպի ակնկալվող կյանքի տևողության համար (հաճախ 10 տարի), այլ ոչ թե բռնվում մեկ ֆունկցիոնալ թեստով։
J-ն հոսանքի density-ն է, Ea-ն metal-ի activation energy-ն է (նյութից կախված), T-ն temperature-ն է, իսկ A, n-ը process-ից բխող հաստատուններ են։ Հոսանքի ավելի բարձր density-ն և ավելի բարձր temperature-ը երկուսն էլ կարճացնում են wire-ի ակնկալվող կյանքի տևողությունը — ահա թե ինչու EM սահմանաչափերը կտրուկ խստանում են hot spot-երի մոտ, և ինչու ժամանակակից signoff-ը ավելի ու ավելի է ներառում self-heating-ը, փոխանակ ենթադրելու հարթ ambient temperature։
Power և signal EM վերլուծությունը պահանջվում է foundry signoff-ի համար ամեն առաջադեմ node-ում և ավելի ու ավելի ներառում է self-heating էֆեկտները և statistical EM budgeting՝ ֆիքսված worst-case margin-ների փոխարեն։
Վերլուծություն & Signoff
| Ստուգում | Նպատակ |
|---|---|
| Static IR Drop | Ստուգում է միջին լարման drop-ը PDN-ի վրայով nominal հոսանքի սպառման պայմաններում |
| Dynamic IR Drop | Ստուգում է լարման drop-ը իրատեսական, ժամանակի ընթացքում փոփոխվող switching սցենարներում (vectored կամ vectorless) |
| Electromigration (EM) | Ստուգում է, որ power/signal wire-երում հոսանքի density-ն մնում է foundry-qualified սահմաններում |
| Decap Budgeting | Ապահովում է, որ բավարար decoupling capacitance է տեղադրված dynamic լարման target-ներին համապատասխանելու համար |
| Chip-Package-System (CPS) Co-analysis | Ընդլայնում է PI վերլուծությունը բյուրեղիկի, package-ի և board-ի վրայով միասին |
Ենթաթեմաներ
Աղբյուրներ
- IR Drop in VLSI: A Beginner's Guide — GTR Academy
- Understanding Power Integrity as a System-Wide Challenge — Electronic Design
- Voltus IC Power Integrity Solution — Cadence
- Decap Cells in VLSI Physical Design — Medium
- Power Integrity in Physical Design: Key Strategies & Solutions — Takshila VLSI
- IR-Drop in On-Chip Power Distribution Networks of ICs With Nonuniform Power Consumption — IEEE Xplore
- Black's Equation for Today's ULSI Interconnect Electromigration Reliability — A Revisit — IEEE Xplore
- Electromigration Check: Where the Design and Reliability Methodologies Meet — IEEE Xplore