权力完整性分析

在芯片设计过程中，功耗分析正在更早地转变，在高级工艺节点中，功耗已成为顶级设计约束。

随着工程团队将更多的功能和内容集成到更大、更复杂的芯片中，他们不得不处理更复杂的交互作用，这些交互作用会影响从功率到对信号完整性和长期可靠性的影响等各个方面。这反过来又产生了对更多分析工具的需求，这些工具可以在设计周期的早期使用，以进行权衡。

该公司产品工程和支持副总裁Aveek Sarkar表示:“预测芯片中电流流动的所有机制的分析仍然是一个白日梦有限元分析软件．“与计时不同，功率是一个全球性问题，涉及多个物理领域。所以它需要在所有可能的条件下工作。但实际情况是，设计过于悲观，以至于过度设计了电路板、封装和芯片。”

发生这种情况的原因很容易理解。复杂的芯片包含数亿个实例，有时超过100个功率域，由多个团队处理相关问题，但不一定同时处理。每个小组都有一个紧凑的时间表，这些时间表与各种工具交织在一起，这些工具可能跟不上每个新节点日益增长的复杂性。此外，两家公司都面临着越来越多的低功耗技术的挑战，直到几年前，这些技术还主要是电力工程专家的专利。

“例如，功率开关电池在低功耗设计中非常重要，因为它们必须正确控制功率域，以确保IR下降不会破坏功能，”杰里·赵(Jerry Zhao)说节奏．

这些设计技术的使用不仅在数字设计中需要仔细审查，而且在模拟/混合信号设计中也越来越多。最重要的可能是制造技术方面的挑战。

“一旦你去finFET时，这些节点的各代具有不同的电迁移它们是如此复杂，以至于EDA供应商和晶圆代工厂之间几乎全年都有活动，以确保EDA工具遵守晶圆代工厂规则，”赵说。“与之前的技术相比，FinFET肯定会造成代沟。一旦你想从16nm到5nm，规则就会发生变化，电源也会发生变化。在极低功耗设计中，我们说的不是0.9 V或0.8 V。我们说的是0.5 V。这肯定会给这些工具带来挑战，因为如何确保电网的完整性——例如，IR下降——不会超过某个阈值。如果您确定该阈值必须与设计的其他方面一起考虑，那么就会带来方法上的变化，即电源完整性不是一个独立的问题。必须在实现流程中考虑到这一点。这意味着当你想要开始物理设计时——甚至在物理设计之前的早期——你需要担心如何确保电网足够强大，而不是过度设计，以维持电力输送。这和前几代人太不一样了。 Through innovations, you need to consider timing, area, power, and then it should be an integrated implementation flow all the way to tape out.”

可以肯定的是，功率完整性分析已经从单独的模具、封装和PCB分析转变为全系统分析，其中模具、封装和PCB都在一起分析，David Bull指出手臂．“这一点变得越来越重要，因为当前计算的趋势是在相同的功率范围内提高功率效率。这导致了更低的工作电压，但更高的电流，随后由于Ldi/dt而导致更高的损失，并且需要使用全波求解器对整个电力输送网络进行建模和分析。”

与此同时，由于我们必须在设计的早期阶段对完整性持保守态度，因此功率仍然被留在了桌面上超音速．“如果有一种方法可以在设计流程的早期进行完整性分析或完整性生成，我们就可以做出不同的架构选择，从而节省更多的电力。它就像其他很多架构建模的东西一样。我今天不需要完美的答案。但如果我想要更好的东西，我需要一种方法来限制什么是合理的期望，并进行权衡。还有，我要花多少钱，我要花在哪里?当我还在架构阶段时，能够进行这种权衡分析，这在今天是不常见的。”

金钱和理智
摩尔定律在这里起着重要的作用。随着在高级节点上开发芯片的难度增加，这将对每个晶体管的成本产生直接影响。为了使成本与功能尺寸保持一致，设计团队必须解决诸如优化动态电源完整性和不同的路由等问题Teklatech．

Bjerregaard说:“你不能只是把晶体管或电池挤得更近，因为事实上并不是电池创造了空间。”“事实上，当你把它们放在一起时，你无法制定设计路线。这是利用面积的限制，因为当你制造芯片时，你不需要为每个晶体管付费。按面积付费。这取决于你在这一区域植入尽可能多的晶体管。”

这直接影响电源完整性，因为随着功率密度的增加和电源电压的下降，电源完整性裕度和动态压降裕度也会下降。更复杂的问题是，随着功率密度的增加和金属电阻的增加，红外降/动态压降越来越严重。为了解决这个问题，增加了更多的金属来加强电网，这意味着金属不能用于布线，从而加剧了布线问题。

Bjerregaard认为，为了最大限度地利用最新工艺技术，一种方法是预先提高电力的完整性，这样就不需要向电网添加那么多的金属。“然后你有了金属线，你可以包装你的设计，把晶体管挤在一起，你就可以收获规模化的经济效益。”

为了实现这一点，他提出应该在早期阶段使用一种称为动态功率整形的技术来优化设计，这种技术可以对电路的动态功率特征进行整形。“这是利用规模并确保摩尔定律不会停止的一个非常重要的部分，因为最终推动规模的是财务。你必须赚钱才能赚更多的钱。有规模，所以你要扩大规模。”

更大的图景
然而，这不仅仅是芯片的问题。戴夫·维恩斯是一名导师图形业务发展经理表示，如果不包括电路板，很难考虑芯片层面的电源完整性。

Wiens说:“信号完整性问题已经存在了30多年，工具也差不多在同一时间出现，其中一些工具已经发生了巨大的变化。”“设备一直都需要电力，但直到最近10年左右，对清洁能源的需求才真正上升，这在很大程度上是因为硅集成和这些快速部件可用的大电流。”

Wiens指出，在过去10年里，电压轨的数量翻了一番。“这对设计的影响是必须不断权衡的。你坐在这里的设计总是面临着压缩和层数，主要是因为成本，有时是形状因素，所以你总是面临着减少层数的驱动，而同时轨道的数量却在增加。在好的老式设计中，我们有一个实心平面层——一整层。现在每一层都是信号和能量的混合体。这就产生了一系列问题。此外，高密度的bga分布在板子的顶部和底部，它们呈扇形散开。扇形扇面穿透了飞机，形成了瑞士奶酪效应，这进一步影响了飞机上电流的返回路径。”

因此，这种密度驱动抵消了电压数量的增加。这是一个不断的权衡，试图获得清洁的电力，但同时试图降低密度，看看在哪里做不同的扇出结构，在信号层中移动平面，同时仍能在设备上获得清洁的电流。

复杂的问题是PCB的直流和交流考虑，其中直流是平面上的电压降;AC正在研究去耦策略，即电容器放置的位置，需要多少个。

对于这两个问题，Wiens说，这既是一个工程问题，也是一个布局问题，而布局是使设计复杂化的部分。“工程师把它设计得又漂亮又干净，然后布局的家伙就去给他搞砸了。这决定了谁可以访问这些工具，何时以及如何在设计过程中使用它们。你需要整合，这样人们就可以做这些权衡，而不会有布局人员说，‘先生。电力完整性专家，我要休息3个小时或1天或2天让你去分析整个事情。’”

此外，Mentor Graphics PCB部门高速工具产品线总监Dave Kohlmeier表示，PCB领域电源完整性的发展是由IC器件特性驱动的(例如，更低的电压和更高的电流要求推动了对更高性能PCB级配电网络设计的需求)。由于在硅上集成/聚合了越来越多的功能(包括多种信号协议)，PCB电压轨的数量增加了。根据Mentor的TLA数据，电压轨的数量在过去十年中翻了一番多，对“电源完整性设计”的关注也急剧上升。

根据TLA的统计数据，这些设计中的有源设备较少，但它们都很大。“此外，TLA统计数据上的器件数量正在增加，但主要是2脚组件:终端电阻或旁路电容器，但就智能而言，它正在成为这些巨大的bga。目前的趋势是将这些无源设备包括在芯片上或封装上，所以在某个时候，我们可能会看到板载设备数量下降。”

“IC的几何形状变得越来越小，这就要求它们使用越来越低的电压，所以随着我们的电压越来越低，设计师必须满足这些较低电压的边际也越来越小。与此同时，功率要求保持不变或上升，迫使电流上升，PCB目标阻抗下降。因此，PCB配电网络设计的门槛提高了——它推动了对更好的堆叠设计、电源平面“布线”、去耦电容放置/安装等的需求。在这里，模拟提供了关于板上将发生什么的洞察，”他解释道。

Ansys的Sarkar对此表示赞同:“你必须从多个角度来看待这个问题。有直流角度的总体连接，定时模拟，实时效果。这只是功能操作模式。你还必须考虑测试模式。当你上下电这个设备时会发生什么?设计团队面临的挑战是获得足够的签字信心。如果你做了所有的检查，你有95%的信心相信它会正常工作吗?”

我们将何去何从?
在这个市场上，研发正在进行中。对于PCB方面，Kohlmeier观察到下一个需要攀登的山峰是将电源完整性与信号完整性结合起来。“现在这是一个大问题，因为随着电压供应的变化，它们会有一些噪声，这些噪声会影响ic本身之间的信号。所以功率感知信号完整性是现在最重要的事情。它能够把这些结合在一起。困难的部分是为IC的电源和IC的I/O开关部分之间的链接建立一个模型，这通常不是IC人员提供的。这是他们知识产权的一部分。他们不会告诉公众这是什么样子的，所以把两者结合起来就成了一个建模问题。”

Wiens指出，这是一个几何上可以预测的问题。“这是多个轨道，它横跨整个董事会，所以我们试图映射到合适的引擎来解决问题。像简单的几何检查器这样的东西，可以分离出需要花费额外时间的问题，这些也变得更加关键。”

IC方面的情况同样复杂。超音速公司的温加德说:“如果我能挥动我的魔杖，我们将有一个合理的环境来模拟电力供应网络的影响。”“然后我们就可以做出更好的选择，决定我们能以多快的速度关闭或重新打开某些东西，并利用这一点来更积极地关闭某些东西。这样，当我想重新打开它时，芯片的延迟仍然是有限的。”

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