如何動(dòng)態(tài)降低供電噪聲

作者：Raj Nair ，Donald Bennett
ComLSI Inc.

關(guān)于納米級處理器和其它超大規模集成電路的有效功耗和電源完善管理的文獻已經(jīng)有好多了。在使用90納米及以下的先進(jìn)工藝生產(chǎn)的器件中，電源噪聲增益的顯著(zhù)下降導致了無(wú)法被傳統的查實(shí)和確認方法測量的電量損失和定時(shí)問(wèn)題。在低壓電源的前提下提升電流密度與供電電路的阻抗相結合產(chǎn)生的芯片內外電源的巨大變化在[1]中被稱(chēng)為電壓消沉。雖然在半導體器件的微縮進(jìn)程中，可以通過(guò)進(jìn)一步降低供電電壓來(lái)減少靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗，但之前的因素使它變得更難。同時(shí)器件在更低尺寸的納米級工藝（90納米及以下）下呈現出非常大的器件不一致性，這就需要做一些特別的設計來(lái)補償。因此，傳統的工藝－電壓－溫度（process-voltage-temperature，PVT）確認方法（過(guò)去，這種方法會(huì )產(chǎn)生大約10％的供電電壓不一致性）很快向更嚴格的電壓控制和更低的電壓變化容限的方向發(fā)展。在納米技術(shù)時(shí)代（100nm到1nm）的芯片中，這種趨勢需要把芯片DC（靜態(tài)）和AC（動(dòng)態(tài)）噪聲限制在很窄的5％的供電變化范圍之內。

傳統的最小化供電噪聲的技術(shù)，例如電壓定位和芯片退耦電容的集成越來(lái)越難滿(mǎn)足電源完善性的需求。通常GHz級處理器使用電壓定位技術(shù)減小供電噪聲，但是電壓調整模塊無(wú)論從物理角度還是電學(xué)角度都遠不能滿(mǎn)足它的供電帶寬的需要。由于在100納米以下的工藝中，柵極漏電流成指數上升，芯片退耦電容也不是一個(gè)降低動(dòng)態(tài)噪聲的好方案。儲存在這些集成電容里的能量也隨著(zhù)供電電壓而成平方級下降。另外，在生產(chǎn)制造中，類(lèi)似于封裝電容環(huán)形電感和輸電線(xiàn)的串聯(lián)電阻這樣的封裝過(guò)濾元件參數將成指數增長(cháng)。[1、Power Delivery section]。在本文中，我們將介紹主動(dòng)噪聲調整（ANR）和主動(dòng)VLSI封裝（AVP）。這些方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：接近于負載元件；隨電壓而成平方級增長(cháng)的電容儲能以便于在需要的位置配置穩定的電荷池――近似于高電流密度和高速暫態(tài)負載。

確保技術(shù)效能的一個(gè)關(guān)鍵要求就是對高性能ULSI元件電源格的動(dòng)態(tài)噪聲行為的準確的理解。用來(lái)分析多重芯片電源格的完整堆棧、分布式負載、漏電流、退耦電容、封裝格、外部連接性和封裝元件的工具對這種理解顯得有些牽強。這種工具可以把整個(gè)系統的噪聲的空間和時(shí)間變化形象化，也給設計者提供了詳細的芯片動(dòng)態(tài)噪聲和臨界路徑活動(dòng)的互動(dòng)信息。另外，這些工具還提供了一個(gè)ANR和其它有源/無(wú)源封裝元件的噪聲最小化沖突的動(dòng)態(tài)信息。為了謹慎地設計布局和ANR開(kāi)啟時(shí)序、無(wú)源退耦罩和其它單芯或多芯系統元件，它們提供了設計方法。真正的動(dòng)態(tài)噪聲分析需要有對一個(gè)電源格（包括電源所有部分的電源環(huán)狀電感、芯片內外駐波諧振器和電阻能耗在內）的所有關(guān)鍵元素建模的能力。本文作者經(jīng)常使用用于高性能系統的動(dòng)態(tài)噪聲精密分析的PowerESL工具。

主動(dòng)噪聲調整主動(dòng)噪聲調整是一個(gè)無(wú)損技術(shù)，它可以給出高性能ULSI系統和元件（如微處理器、SoCs、SiPs和多核）的電源完善性信息。在保證性能的前提下，高性能高能耗器件在運行過(guò)程中頻繁轉換工作狀態(tài)以降低功耗。當有應用程序運行在處理器上的時(shí)候，高性能器件的工作狀態(tài)就會(huì )轉換，而這些轉換可能產(chǎn)生對電流需求的巨大變化，這樣就可能在排空高帶寬負載附近存儲的電荷的同時(shí)引起輸電網(wǎng)絡(luò )共振。主動(dòng)噪聲調整通過(guò)對負載元件電源格快速的可控的本地充電來(lái)察覺(jué)這個(gè)問(wèn)題。圖1顯示一個(gè)嵌入的ANR元件就好像一個(gè)FET轉換器件。ANR與一個(gè)作為電荷池的電容相連，這個(gè)電容的充電過(guò)程有兩個(gè)途徑：通過(guò)連有外部高壓電源的電源線(xiàn)或者由系統設計決定的電荷泵來(lái)填充。這樣就可以通過(guò)一個(gè)電荷池給ANR提供高于工作過(guò)程中的負載很多倍的電荷。

圖一：ANR元件嵌入圖（專(zhuān)利申請中）

在本文中，我們要討論并展示在一個(gè)高性能芯片電源格中ANR的影響。ANR（或者ANR陣列）通過(guò)圖6中很短的導線(xiàn)連接到負載元件。因此ANR就可以完全掌握負載供電的空間和時(shí)間變化。當ANR偵測到（或者被告知）在所連接的負載元件供電格點(diǎn)或格區中發(fā)生了變化（稱(chēng)為電壓消沉事件）時(shí)，它就會(huì )初始化從電荷池到負載電源格的補償電流。經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫周期的強電流，ANR通過(guò)一個(gè)可控方式把它切斷，使電荷池重新充滿(mǎn)為其它的暫態(tài)事件做好準備。

圖2顯示了一個(gè)高速系統中的ANR的模擬應用結果，該系統中的負載1和負載2電流同圖1。動(dòng)畫(huà)顯示了系統輸電堆棧對供電狀態(tài)變換的響應。這個(gè)模擬通過(guò)模擬芯片格和輸電系統所有元件的一個(gè)分布式模型實(shí)現。不同的格間供電電壓引起了不同的向下的偏移，這些偏移被稱(chēng)作“消沉”。這些消沉降低了芯片區域的的供電能力并阻礙了芯片工作頻率該完成的功能。

圖2：在一個(gè)高速系統中使用ANR的分布式模型的模擬結果。曲面顯示了芯片表面所有點(diǎn)的供電變化Δ（Vdd－Vss）。這個(gè)模型包括了一個(gè)計算格導線(xiàn)電勢變化的電場(chǎng)解。這個(gè)工具還計算了電介質(zhì)中的電壓變化。在一個(gè)標準單核工作站（包含ANR功能）上運行一個(gè)6ns、15個(gè)時(shí)鐘周期的模擬需要大概10分鐘左右的時(shí)間。

曲面右側的負載工作于沒(méi)有ANR的狀態(tài)，而左側的負載顯示了包含ANR功能以后對于同樣的負載電流的格響應。我們可以看到：在A(yíng)NR開(kāi)啟以后，電壓消沉或減低性能的噪聲顯著(zhù)地減弱了。

圖3顯示了在芯片格接近兩個(gè)負載中心位置的供電電壓。

圖3：在芯片表面包含與未包含ANR的負載電流引起的供電噪聲。當節電狀態(tài)變化時(shí)，功能塊被打開(kāi)或關(guān)閉，這時(shí)，設備通過(guò)ANR的過(guò)濾器調整到更低頻率的系統級暫態(tài)。高頻噪聲也顯著(zhù)降低。

從這些結果來(lái)看，很顯然，ANR對控制低頻系統級暫態(tài)特別有效。當檢測到消沉的時(shí)候，ANR可以同樣有效地檢測到過(guò)充。低頻消沉和過(guò)充與供電電路電感與封裝和系統板電容有關(guān)，在高速系統里常常是影響性能的最重要的噪聲元件。ANR可以被用于降低各種頻率的噪聲幅。它們也可以修改頻譜以便把供電噪聲移動(dòng)到系統共振頻率以外。這個(gè)移動(dòng)的效果如圖4。圖4還顯示了沿著(zhù)兩條長(cháng)導線(xiàn)的噪聲傳播。a曲線(xiàn)被連到ANR電路附近的封裝格，b曲線(xiàn)位于沒(méi)有ANR的負載附近。ANR引起的頻率移動(dòng)和對應的波長(cháng)減小對系統的噪聲都有明顯的影響。

圖4：沿著(zhù)兩條導線(xiàn)的分布式Vdd和Vss供電變化。該模擬包含了一個(gè)連接到芯片場(chǎng)解的對稱(chēng)導線(xiàn)對的列表。ANR通過(guò)減弱臨近導體的共振來(lái)改變噪聲頻譜。

動(dòng)態(tài)噪聲取決于漏電流和電壓

電源噪聲的頻譜構成的考量對尋求系統中的速度和功耗的平衡點(diǎn)很重要。圖5中是一個(gè)簡(jiǎn)化了的系統功耗格模型。

圖5：簡(jiǎn)化的功耗格模型

在這個(gè)模型中，負載端壓降由下式給出：

一般來(lái)說(shuō)，負載電流（I）是供電噪聲的非線(xiàn)性函數，并且(3)只有數字解。然而，我們可以看到一些對負載電流使用近靜態(tài)近似的典型的功耗格性能的原委。例如，今天的先進(jìn)工藝相對于過(guò)去有著(zhù)更高的靜態(tài)漏電流。動(dòng)態(tài)壓降提供了一個(gè)可以降低總體噪聲級別的負反饋，漏電流也隨之迅速下降。對系統負載電流做一次近似（三極管漏電流隨供電電壓線(xiàn)性增長(cháng)）：

這樣一個(gè)大靜態(tài)漏電流使系統噪聲整體減弱。然而，依靠靜態(tài)漏電流的減弱效應意味著(zhù)系統能耗要遠高于它的需要。并且，在任何情況下，即使有了大靜態(tài)漏電流對總功耗的貢獻，IC中任一特殊位置的同步動(dòng)態(tài)電流密度峰值好像都比同一地點(diǎn)的單位面積靜態(tài)電流大得多。

需要注意的是，只要漏電流隨電壓?jiǎn)握{遞增都將得到這個(gè)負反饋（例如MOSFET）。這樣就保證了(3)式中在任何時(shí)刻都至少有兩項大于等于零。

對于更高的頻率，(3)式中剩下的項不能再被忽略。假設我們現在切斷負載電流。電源噪聲可以被寫(xiě)為：

在Q>0.5的電網(wǎng)中，當噪聲源關(guān)掉之后，網(wǎng)格要繼續振蕩大概Q個(gè)周期。系統的Q值取決于L和C中儲存的能量與R中消耗的能量比值。如果系統是為高效輸能（高Q）而設計的，那么在連續的周期中，網(wǎng)格里產(chǎn)生的噪聲能量在單周期里要保持一個(gè)更大的比例。這個(gè)能量足以支持IC中的負載。然而，低功耗系統還擁有很大的動(dòng)態(tài)電壓消沉，特別在共振頻率wo附近的時(shí)候。即使設計者使用諸如低漏電流工藝和電路設計技術(shù)這樣的用來(lái)降低能量損失的設計，動(dòng)態(tài)噪聲的增大也是無(wú)法避免的。ANR給設計者提供了高速系統中降低噪聲而不會(huì )產(chǎn)生額外的熱量的方法。用ANR增大系統Q值，不是通過(guò)降低電阻，而是利用了隨電壓成平方增長(cháng)的電容中的能量來(lái)給負載供電的優(yōu)勢。這個(gè)可以在負載端保持高電壓而低能量損失的優(yōu)勢自從輸電技術(shù)的早期就為人所熟知?，F在在高速系統中可以通過(guò)ANR來(lái)發(fā)揮這個(gè)優(yōu)勢。

有源VLSI封裝中，一個(gè)嚴重的限制是芯片電容儲存電荷的能力遵從下面的關(guān)系：

這里使用的是單位面積的電荷和電容，E是儲存電荷設備里的電場(chǎng)強度。

在一個(gè)MOS電容里，芯片內集成的單位面積的電容很典型。大多數的生產(chǎn)工藝都盡量使MOS電容的尺寸（柵絕緣層厚度）達到最小，接近于柵絕緣層可靠性的極限。因此，在MOS電容中使用更高電壓來(lái)提高電位面積的儲存電荷（和能量）的方案是不可行的，既然耐高壓設備必然要有一個(gè)更厚的柵絕緣層，因此就要跟所求的高壓大致成比例地降低單位面積的電容。

封裝電容的重要性已經(jīng)在一些大面積處理器制造商的生產(chǎn)中廣泛體現出來(lái)。即使是出現一個(gè)land-side封裝電容，集成的對模（on-die）電容配額似乎也無(wú)法適應元件的性能（最大頻率）。Land-side封裝電容緊貼在處理器封裝襯底的對面的下面，這樣封裝襯底的厚度將這個(gè)電容和處理器電路分隔開(kāi)來(lái)。這是裝配中離電路最近的電容之一，它的電容值很大，無(wú)論從物理還是從電學(xué)角度，它都積累了很多的電荷。換句話(huà)說(shuō)，集成的芯片電容會(huì )很大。因此，降低噪聲的電容值要比設計的封裝電容大得多。因此封裝電阻在保持處理器電源完善性上顯得更加有效。

另有實(shí)踐經(jīng)驗證明，保留一少部分而取消大多數封裝電容對處理器的性能的影響也似乎很小。這個(gè)結果表明理解一個(gè)芯片格中動(dòng)態(tài)噪聲的準確的空間和時(shí)間性質(zhì)的重要性；一個(gè)弱動(dòng)態(tài)噪聲位置或者芯片的動(dòng)態(tài)噪聲不符合一個(gè)臨界電路或電路路徑處的封裝電容在優(yōu)化電源完善性管理的時(shí)候不會(huì )很有用。

像封裝電容這樣的無(wú)源設備的一個(gè)關(guān)鍵限制就是它們是“reactive”設備。換句話(huà)說(shuō)，它們會(huì )根據周?chē)碾妼W(xué)條件的變化而有所反應。因此只有在一個(gè)電容兩端有很明顯的電壓變化率的時(shí)候，它才可以提供一個(gè)電流。所以，當一個(gè)電容被當作電荷池的時(shí)候，它們不能主動(dòng)地提供大量電荷來(lái)消除電壓的瞬間或暫態(tài)變化。它只有遇到一個(gè)很顯著(zhù)的電壓變化或者消沉的時(shí)候才會(huì )提供電荷。

另外，這些電容的有效串聯(lián)電阻（ESR）和有效串聯(lián)電感（ESL）有個(gè)確定的值，因此用生產(chǎn)和設備設計改進(jìn)來(lái)降低這些干擾因素的值是沒(méi)有幫助的。然而低ESR值卻有助于最小化提供電荷的電容電壓和能耗。而低ESR無(wú)助于抑制負載性質(zhì)變化引起的供電格振蕩。所以無(wú)源設備對消除供電電壓變化沒(méi)有幫助。

在有源VLSI封裝中，封裝電容與land-side ANR設備結合在一起（圖6）。這些結果把高壓池電容和控制電路放在距離處理器和SoC模正好一個(gè)封裝襯底厚度的位置。ANR設備利用這些電荷池的高電能儲存能力來(lái)給對模（on-die）電源格預儲存電荷。那么這個(gè)技術(shù)就可以主動(dòng)控制動(dòng)態(tài)電源噪聲而消耗最少的能量。另外，主動(dòng)噪聲控制器提供了一個(gè)將動(dòng)態(tài)抑制阻抗引入到芯片的輸電系統中的方法，這樣就事先控制了供電共振。

圖6：ANR和LVR設備可以安裝到封裝或PCB上，這樣就可以確保阻抗很小，并且連接到高性能IC的延遲路徑也最短（專(zhuān)利申請中）。

本地電壓調節器（LVR）中的ANR的發(fā)展提供了極高的帶寬、封裝能力、高效能量轉換。LVR利用與封裝電容和連接芯片電源格的供電路徑相關(guān)的干擾因素來(lái)提供極高的變頻能量轉換能力。LVR陣列增強了外部低壓供電并很大程度地提高了整個(gè)輸電系統的帶寬。這樣使高能SoC元件可以快速地調制電路的供電電壓以便于最小化平均耗電。使LVR與負載元件更加接近能夠確保SoC和LVR陣列的快速溝通，從而使供電電壓快速轉換，也有助于利用動(dòng)態(tài)能量管理系統降低能耗。

結論

系統級模擬方法顯示有源噪聲調整可以被用于低能量損失格中的噪聲控制。這些工具和設計理念允許系統設計者提高對低噪聲高速系統的最小化能耗設計靈活性。另外，作者認為封裝不只限于提供能量和信號連接的通路，它還可以做很多事情。在RF和高速設計中，有一個(gè)現象越來(lái)越明顯，那就是封裝元件可以作為高性能無(wú)源器件以增強IC性能。RFID元件的封裝為電路提供了能量。使封裝元件更接近于IC，可以使它與SoC芯片更主動(dòng)更同步，并且給能量和信號完善性管理提供了有效廉價(jià)的系統解決方案。ANR和LVR設備和陣列可以以無(wú)損方式修改已有IC和能量完善性管理系統的封裝結構。電路和系統封裝將在系統功能和性能中扮演一個(gè)“積極”的角色，并將集成推動(dòng)到納米技術(shù)時(shí)代。

參考文獻

[1] R. Mahajan, Raj Nair et al., Emerging Directions for Packaging Technologies, ITJ 2002.