芯片供电，越来越复杂了

供电网络的设计需要在所有细节都确定之前开始。

过去，当电压高得多时，微小的电压下降并不重要。与此同时，导线也粗得多，电阻更低。最后，开关速度较慢，产生的电流尖峰也较小。然而，在近期的技术节点上，所有这些情况都变得更糟，结果是越来越多的设计出现了时序问题。

“这曾经是一个次要问题，”现隶属于新思科技的Ansys产品营销经理Marc Swinnen说。“现在你面临的是，非常快速、巨大的电流尖峰要通过非常细的导线，而对任何电压降的容忍度都非常低。增加设计裕量（Margining）曾经是简单的出路，但在空间和性能上，增加裕量的代价都非常高昂。”

为了解决这个问题，需要更多地关注供电网络的设计。“在进行布局布线之前，你并不知道逻辑门会被放在哪里，而且它们也并非完全相同，”西门子数字工业软件的产品管理高级总监Joe Davis说。

因此，供电网络的设计需要在所有细节都确定之前开始。“基本的架构是在单元行周围设置一个电源环，然后单元行从边缘接入环网，”Ansys的Swinnen解释说。“随着电流沿着单元行流动，电压会下降。在行的中间，你会遇到最深的压降。为了支持电压，你需要在环网上拉伸电源带（power straps）。从环的顶部到底部拉伸一条带，在它穿过的每一行，你都通过一个过孔连接到本地电源轨以支撑它。这样就形成了一个网状结构。电源带的数量越多，间距越密，电压供应就越好。”

如果导线的电阻更高，还会产生第二个问题。“IR压降的问题在于热，”Empower Semiconductor的客户应用工程总监Luca Vassalli说。“如果有电流流过那个电阻，就会产生功率。它产生的功率与电流的平方成正比。随着电流的增加，降低那个电阻变得非常重要。如今的处理器，其核心拉动的电流高达1000安培。如果你有1000安培流过100微欧姆，那就损失了100瓦。而100瓦可能是一个处理器功率的10%。”

业界正尝试通过将电源线移到裸片的背面来解决这个问题。“这个概念是把又大又粗的电源线移开，”西门子的Davis说。“这确实有帮助，但又产生了另一个问题。不是时序问题，而是热问题。电源线移开后，你可以塞进更多的东西，器件可以靠得更近。你可以让它们运行得更快，但当这种情况发生时，它们会变得更热。导线的可靠性会因热量而呈指数级下降，所以温度越高，电阻越高，IR压降越大，可靠性越低。”

芯片工程师关注的是裸片上的走线，但该裸片可能位于一个中介层上，在封装内，在一个系统中的一块电路板上，而主电源就在那里。这就产生了一条长路径，需要被理解。“在芯片、封装、电路板这个问题上，我们看到了很多问题，”弗劳恩霍夫集成电路研究所（Fraunhofer IIS）高效电子部门主管Andy Heinig说。“没有人能真正回答如何对芯片、封装、电路板进行供电验证的问题。这真的是一个未解决的问题。”

目标是在需要的时候，以最少的损耗将能量输送到需要的地方。“我们发现最好的折衷方案是把电压调节器放在封装外，但尽可能靠近封装，因此放在PCB的背面。要真正实现封装内的集成，还需要另一层级的改进，但关于集成电压调节器（IVR）进入封装的讨论很多，”Empower的Vassalli说。

在封装内部，许多最大的设计将包括一个中介层。“中介层更宽松，”Swinnen说。“它通常是像16纳米或35纳米这样的技术，但你需要传输更大的功率。在中介层上，并通过微凸点，你不仅需要为这个芯片供电，可能还需要为它上面的芯片供电。它必须通过硅通孔（TSV）和这些微小的凸点来馈电。数百瓦的功率必须通过这些微小的连接传输。这更复杂，也不同。有新的因素加入进来，但同样的问题也适用。”

当涉及到安全性和可靠性时，这些问题变得更大。“由于功能安全的要求，我们在汽车领域遇到了问题，而这些要求完全不清楚，”弗劳恩霍夫的Heinig说。“你在功能性方面为功能安全付出了如此多的努力，然后我们在供电网络上又有很多不确定性。我们有来自供电网络的单点故障。”

汽车行业在这个领域面临许多问题。“汽车行业正开始向先进节点迈进，他们面临一个问题，因为如果他们遵循所有的代工厂规则，他们就无法设计出有竞争力的芯片，”Davis说。“没有解决方案空间，所以他们正在审视代工厂使用的电迁移规则的严格性。今天使用的规则是建立在布莱克方程（Black's equations）上的，但那些方程忽略了它是一个网络的事实。它是一个供电网络。只有在少数地方，我只有一条路径向一个逻辑门供电。如果一部分电阻有小幅增加，那部分电力将通过另一条路径传输。一个真正基于物理的可靠性分析表明，布莱克方程和当前的模型不仅给出悲观的结果，在许多情况下还给出完全错误的结果。”

为了进行任何形式的分析，都需要模型。“EMIR（电迁移与IR压降）中的一切都是一个近似游戏，因为最终，要获得最准确的答案，我们需要对整个芯片及其寄生效应进行完整的电气仿真，”Davis说。“这可能是整个过程中成本最高的一步。你必须为早期分析对其进行近似。而那些模型是基于他们在设计、架构和分区的历史经验建立的。”

早期分析可以省去很多麻烦。“早期分析在缓解与供电网络相关的风险方面起着关键作用，影响着分区、布局规划和电源网格拓扑等架构决策，”Ansys的Takeo Tomine说。“这些可以避免代价高昂的后期重新设计。通过在布局最终确定前尽早纳入电源完整性检查，设计者可以主动识别易受IR压降影响的区域，并相应调整块的放置、布线通道和去耦电容的分配。”

后期检测到的问题可能代价高昂。“IR压降分析的难点之一就是它很难修复，因为当你检测到并分析它时，你已经在流程中走得太远了，你的时序已经平衡好了，你真的不想为了修复IR压降而开始弄乱你的设计。你需要在设计的早期，在布局阶段就进行良好的IR压降分析，那时你仍然可以轻松地修改布局，”Swinnen说。

没有一个稳健的供电网络，现代设计将会有显著的IR压降问题。与此同时，设计中越来越多的路径正变得关键，这意味着如果-没有进行深入的分析，芯片将无法在目标频率下运行，或者干脆失效。

行业尚未开发出既能满足所有签核需求，又能使用一致的模型和场景进行早期分析的方法。为满足这些需求，正有更多的投资投入，而这一切始于回归基础物理学。有了这个坚实的基础，更好的解决方案才可能实现。

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