基于片上去耦电容的配电网络

《国际信息工程先进技术译丛:基于片上去耦电容的配电网络(原书第2版)》中实验、示例以及经验结果都来自于作者的工作和研究实践。

本书主要介绍了高性能超大规模集成电路中配电网络的设计和研究方法，详细分析了片上电源分布网络的各个方面。针对配电系统及其相关的设计难点提出了清晰、有效的解决方法，包括电路网络建模方法和片上去耦电容布局技术。此外，对于片上配电系统的特性行为和设计方法，本书也具有深刻的见解和清晰的表述。本书专业理论性较强，由点及面，由浅入深，在科研领域和工业领域都具有很高的参考价值。本书不仅适用于集成电路物理设计工程师，还可作为集成电路配电网络专题研究人员及相关专业师生的参考书。

Renatas Jakushokas,出生于立陶宛考纳斯。2005年，他从以色列卡梅尔的0RT-Bmude学院获得了电气工程理学学士学位。2007年，获得纽约罗切斯特市的罗切斯特大学电气和计算机工程硕士学位。目前他是罗切斯特大学电气和计算机工程专业在读博士生。
2006年，他曾在纽约州费尔波特的In-trinsix公司实习，研究∑-△ADC。2007年的夏天，他在纽约州罗切斯特的伊士曼柯达公司实习，2007年他在那里为高性能ADC设计了一个高速、高精度的比较器。2008年夏天，他在亚利桑那州坦佩市的飞思卡尔半导体公司从事开发噪声耦合估算计算器，这种计算器可以有效地评估不同衬底隔离技术。他研究的兴趣是在配电、噪声评估、信号完整性、衬底建模/分析和优化技术、高性能集成电路设计等领域。

Mikhail Popovich,1975年生于俄罗斯的伊热夫斯克。1998年，他取得俄罗斯伊热夫斯克伊热夫斯克国立技术大学的电气工程学士学位。2002年和2007年，他分别获得纽约州罗切斯特市罗切斯特大学的电气和计算机工程的硕士和博士学位。2005年夏天，他在亚利桑那州坦佩市的飞思卡尔半导体公司实习。他在那里从事射频和混合信号IC的信号完整性研究，并开发了片上分布去耦电容布局的设计技术和方法。他的专业经验也包括为纽约州罗切斯特市伊士曼柯达公司从事挖掘CMOS成像电路的村底和互连串扰噪声的特性。他曾撰写了一些会议和期刊论文，关于CMOS超大规模集成电路的配电网络、片上去耩电容的布局以及片上互连的电感特性等领域。他持有一项美国专利，并撰写了一本关于片上配电网络的书。2007年，Mikhail入职高通公司，从事于配电网络、电源和信号完整性、低功耗技术以及考虑片上电感效应、噪声耦合和片上去耦电容布局的互连线设计。
2005年，Popovich先生在ACM(计算机协会）大湖专题讨论会中获得了VLSI(超大规模集成电路）领域的最佳研究论文奖。2007年，获得半导体研究公司GRC发明家奖。

Andrey V.Mezhiba,1996年毕业于莫斯科物理与技术研究所，获得物理学文凭。他在罗切斯特大学继续他的研究，于2004年获得电气和计算机工程学博士学位。Andrey的博士研究方向是配电网络、片上电感、电路耦合和信号完整性。Andrey现在就职于Intel公司，研究纳米级别CMOS工艺中的低电压模拟和混合信号电路设计。

Selcuk Kose,2006年获得土耳其安卡拉市的比尔肯大学的电气和电子工程理学学士学位，2008年获得纽约州罗切斯特大学电气和计算机工程硕士学位。目前他正在攻读电气工程博士学位。
2006年，他在土耳其安卡拉巿的科学和技术研究理事会（TUBiTAK)的超大规模集成电路设计中心担任低功耗集成电路方面的兼职工程师。2007年和2008年夏天，他在加利福尼亚州圣克拉拉的Intel公司微处理器部门的中央技术和特殊电路团队负责时钟网络中的部分模块的功能验证，包括相位补偿模块和对参考时钟分布网络的优化。2010年夏季，他在亚利桑那州的飞思卡尔半导体公司的射频(RF)、模拟和传感器组实习，在那里他研发出了降低电磁辐射的设计技术和方法论。目前他的研究兴趣包括：高性能集成电路的分析和设计、单片DC-DC转换器和互连相关问题，特别是电源和时钟分配网络的设计和分析。

Eby G.Friedman,1979年获得拉斐特学院的理学学士学位，1981年和1989年，分别获得加州大学欧文分校的硕士和博士学位，都是电子工程方向。
从1979年到1991年，他工作于休斯飞机公司，职位提升到信号处理设计和测试部经理，负责设计和测试高性能的数字和模拟集成电路。自1991年以来，他一直在罗切斯特大学的电气和计算机工程系，在那里他是一位杰出教授并且是高性能VBI/IC设计与分析实验室的主任。他也是以色列理工大学技术研究中心的客座教授。他目前的研究和教学兴趣是高速便携式处理器和低功粍无线通信中的高性能同步数字和混合信号微电子的设计和分析。
他撰写了约400篇论文和书籍章节并拥有多项专利，总共有13本著作，领域涉及高速低功粍CMOS设计技术、高速互连以及同步时钟和配电网络的理论与应用。Friedman博士是电路、系统和计算机期刊的区域编辑，模拟集成电路和信号处理、微电子期刊、低功耗电子期刊、低功耗电子和应用程序期刊以及VLSI信号处理期刊的编委成员，超大规模集成电路（VLSI)系统指导委员会的IEEE(美国电气电子工程师学会）汇刊的主席，以及一些会议的技术方案委员会的成员。此前，他是超大规模集成电路（VLSI)系统的IEEE汇刊主编、IEEE会议和有关电路与系统II：模拟和数字信号处理方面IEEE汇刊的编委会成员、电路与系统（CAS)学会理事会的成员、社会理事会的成员、多个IEEE会议的计划和技术主席，罗切斯特大学研究生教学奖和工程学院教学卓越奖的评委。Friedman博士是一名资深的富布赖特学者和IEEE会士。

原书第1版前言
关于作者
第1部分 一般性背景
第1章 概述2
1.1 集成电路技术的发展 3
1.2 设计目标的发展 5
1.3 配电的问题 8
1.4 配电噪声的不利影响 12
1.4.1 信号延时的不确定性 12
1.4.2 片上时钟抖动 13
1.4.3 噪声裕度降低 14
1.4.4 栅氧化层可靠性的降低 14
1.5小结 14
第2章 电路的感性特性 16
2.1 电感的定义 16
2.1.1 场能量的定义 16
2.1.2 磁通量的定义 18
2.1.3 局部电感 21
2.1.4 网电感 25
2.2 电感随频率的变化 26
2.2.1 均匀电路密度假定 26
2.2.2 电感变化机制 27
2.2.3 电路简化模型 28
2.3 电路的感性行为 31
2.4 片上互连线的电感特性 33
2.5 小结 35
第3章 片上感性电流回路的特性 36
3.1 简介36
3.2 电感与线长的关系 36
3.3 两个并行回路段的感性耦合 40
3.4 电路分析的应用 41
3.5 小结 42
第4章 电迁移 43
4.1 电迁移的物理机制 43
4.2 电迁移引起的机械应力 45
4.3 电迁移损害的稳态限制 46
4.4 电迁移寿命与互连线尺寸的关系 47
4.5 电迁移寿命的统计分布 49
4.6 在交流电流下的电迁移寿命 50
4.7 铝和铜互连工艺的比较 51
4.8 电迁移可靠性设计 52
4.9小结 53
第5章 去耦电容 54
5.1 去耦电容简介 54
5.1.1 历史回顾 54
5.1.2 去耦电容当作电荷的蓄水池 55
5.1.3 去耦电容的现实模型 57
5.2 带去耦电容的配电网络的阻抗 59
5.2.1 配电系统的目标阻抗 59
5.2.2 反共振 61
5.2.3 去耦电容结构化分布的水力学类比 65
5.3 固有和策划的片上去耦电容 67
5.3.1 固有去耦电容 67
5.3.2 策划去耦电容 69
5.4 片上去耦电容的类型 71
5.4.1 PIP电容71
5.4.2 MOS电容 73
5.4.3 MIM电容 78
5.4.4 侧面通量电容 79
5.4.5 不同片上去耦电容的对比 82
5.5 片上开关稳压器 83
5.6小结 85
第6章 片上电源分配噪声的缩减趋势 86
6.1 缩减模型 86
6.2 互连特性 88
6.2.1 全局互连特性 89
6.2.2 网格电感的缩减 89
6.2.3 倒装芯片封装特性 90
6.2.4 片上电容的影响 91
6.3 电源噪声模型 91
6.4 电源噪声缩减 92
6.4.1 恒定金属厚度方案分析 92
6.4.2 缩减金属厚度方案分析 93
6.4.3 电源噪声的ITRS缩减 94
6.5 噪声缩减的含义 97
6.6小结 97
第7章 第1部分小结 99
第2部分 电源系统设计
第8章 高性能配电系统 102
8.1 配电网络的物理结构 102
8.2 配电系统的电路模型 103
8.3 配电系统的输出阻抗 105
8.4 带有一个去耦电容的配电系统 107
8.4.1 阻抗特性 107
8.4.2 单层去耦方案的局限 110
8.5 去耦电容的层次化布局 111
8.6 配电网络中的谐振 117
8.7 全阻抗补偿 121
8.8 实例分析 123
8.9 设计依据 125
8.9.1 去耦电容器电感 125
8.9.2 互连线电感 126
8.10一维电路模型的局限性 127
8.11小结 128
第9章 片上配电网络 129
9.1 片上配电网络的类型 129
9.1.1 片上配电网络的基本结构 129
9.1.2 提高片上配电网络的阻抗特性 133
9.1.3 阿尔法微处理器中配电网络的演化史 134
9.2 裸片封装接口 135
9.3 其他考虑 138
9.4小结 139
第10章 计算机辅助设计与分析 140
10.1 片上配电网络的设计流程 140
10.2 配电网络的线性分析 144
10.3 配电网络的建模 145
10.4 表征片上电路的电源电流需求 149
10.5 配电网络分析的计算方法 150
10.6 片上去耦电容器的分配 155
10.6.1 基于电荷的分配方法 156
10.6.2 基于过噪声幅度的分配策略 157
10.6.3 基于过电荷的分配策略 158
10.7小结 159
第11章 快速电压降分析的闭式表达式 160
11.1 FAIR的背景 160
11.2 对电压降分析的解析 162
11.2.1 单电源和单电流负载 162
11.2.2 单电源和多电流负载 164
11.2.3 多电源和单电流负载 166
11.2.4 多电源和多电流负载 167
11.3 电源网格分析的局部性 169
11.3.1 电源网格中的空间局部性原理 169
11.3.2 空间局部性对计算复杂度的影响 171
11.3.3 在FAIR中利用空间局部性 171
11.3.4 误差修正窗 173
11.4 实验结果 173
11.5 小结 178
第12章 第2部分小结179
第3部分 配电网络中的噪声
第13章 片上配电网格的电感特性 182
13.1 输电电路 182
13.2 仿真设定 183
13.3 网格类型 184
13.4 电感与线宽的关系 188
13.5 网格类型对电感的影响 188
13.5.1 非交叉指型网格与交叉指型网格的比较 188
13.5.2 配对型网格与交叉指型网格的比较 189
13.6 影响电感的网格尺寸 189
13.6.1 影响电感的网格宽度 190
13.6.2 影响电感的网格长度 190
13.6.3 电网的方块电感 191
13.6.4 网格电感的高效计算方法 191
13.7 小结 192
第14章 网格电感随频率的变化特性 194
14.1 分析步骤 194
14.2 电感变化特性的探讨 195
14.2.1 电路模型 195
14.2.2 对电感变化特性的分析 197
14.3 小结 199
第15章 电感、面积和电阻之间的折衷 200
15.1 在网格面积不变的约束下电感与电阻的折衷 200
15.2 在网格电阻不变的约束下电感与面积的折衷 203
15.3小结 205
第16章 交叉指型电源/地分布网络的电感模型 206
16.14 对型基本结构 207
16.2 含有大量交叉指对的电源/地分布网络 207
16.3 比较与讨论 211
16.4 小结 214
第17章 片上电源噪声抑制技术 215
17.1 添加片上低噪声地来抑制地噪声 216
17.2 决定地弹抑制的系统参数 217
17.2.1 噪声电路和噪声敏感电路之间的物理距离 218
17.2.2 频率和电容的变化 219
17.2.3 额外接地通路的阻抗 220
17.3 小结 221
第18章 片上配电网络中噪声的影响 222
18.1 芯片封装共振中的尺度效应 222
18.2 配电噪声的传播 224
18.3 局部电感特性 225
18.4 小结 228
第19章 第3部分小结229
第4部分 片上去耦电容器的布局
第20章 片上去耦电容器的有效半径232
20.1 背景 233
20.2 基于目标阻抗的片上去耦电容器有效半径234
20.3 估算所需的片上去耦电容值 236
20.3.1 电阻性噪声主导 236
20.3.2 电感性噪声主导 237
20.3.3 连线的临界长度 239
20.4 由充电时间决定的有效半径 242
20.5 针对片上去耦电容器布局的设计方法 245
20.6 片上配电网络模型 246
20.7 实例分析 248
20.8 设计意义 251
20.9 小结 252
第21章 分布式片上去耦电容器的有效布局 254
21.1 工艺约束 254
21.2 在纳米级IC中片上去耦电容器的布局 255
21.3 分布式片上去耦电容网络的设计 257
21.4 分布式片上去耦电容网络中的设计折衷 261
21.4.1 关于R1系统参数的决定因素 261
21.4.2 C1最小值 262
21.4.3 片上去耦电容总预算的最小值 262
21.5 分布式片上去耦电容器系统的设计方法 264
21.6 实例分析 266
21.7 小结 269
第22章 分布式片上电源和去耦电容器的协同设计270
22.1 问题的出现 271
22.2 电源和去耦电容器的协同布局 272
22.3 实例分析 274
22.4 小结 275
第23章 第4部分小结277
第5部分 多层配电网络
第24章 多层电网的阻抗特性 280
24.1 多层网格的电气特性 281
24.1.1 单层网格的阻抗特性 281
24.1.2 多层网格的阻抗特性 283
24.2 双层网格的实例研究 284
24.2.1 仿真设置 285
24.2.2 网格层之间的电感耦合 285
24.2.3 双层网格的电感参数 287
24.2.4 双层网格的电阻参数 288
24.2.5 在双层网格中阻抗随频率的变化量 289
24.3 设计意义 290
24.4 小结 291
第25章 多层交叉指型配电网络 292
25.1 单金属层特性 293
25.1.1 使阻抗最小的最优宽度 294
25.1.2 最优线宽的特性 296
25.2 多层优化 299
25.2.1 第一种方案——等电流密度 300
25.2.2 第二种方案——最小阻抗 303
25.3 探讨 305
25.3.1 比较 305
25.3.2 布通率 305
25.3.3 忠实度 307
25.3.4 临界频率 308
25.4 小结 309
第26章 第5部分小结 310
第6部分 多电压电源网络系统
第27章 多片上电源系统 312
27.1 多电源电压IC312
27.1.1 多电源电压技术 313
27.1.2 CVS314
27.1.3 ECVS315
27.2 多电源电压IC的挑战 316
27.2.1 芯片面积 316
27.2.2 功耗 316
27.2.3 设计复杂度 317
27.2.4 布局和布线 317
27.3 有效电源电压的最佳数目和量值 320
27.4 小结 323
第28章 多供电电压的片上配电网格 324
28.1 背景 325
28.2 仿真建立 326
28.3 双电压双地配电网格 327
28.4 DSDG交叉指型网格 329
28.4.1 I型DSDG交叉指型网格 329
28.4.2 II型DSDG交叉指型网格 330
28.5 DSDG配对网格 331
28.5.1 I型DSDG配对网格 332
28.5.2 II型DSDG配对网格 333
28.6 仿真结果 335
28.6.1 无去耦电容的交叉指型配电网格 340
28.6.2 无去耦电容的配对配电网格 341
28.6.3 具有去耦电容的配电网格 343
28.6.4 电源噪声随电流负载开关频率变化的关系 345
28.7 设计意义 347
28.8 小结 347
第29章 多电压配电系统的去耦电容 349
29.1 配电系统的阻抗 350
29.1.1 配电系统的阻抗介绍 350
29.1.2 并联电容的反共振 352
29.1.3 配电系统参数对阻抗的影响 353
29.2 配电系统阻抗的实例研究 356
29.3 配电系统的电压传输函数 359
29.3.1 配电系统的电压传输函数介绍 359
29.3.2 电压传输函数随配电系统参数变化的关系 360
29.4 配电系统电压响应的实例研究 364
29.4.1 电压传输函数的无过冲值 364
29.4.2 值和频率范围间的折衷 365
29.5 小结 368
第30章 第6部分小结369
第7部分 综述与附加材料
结束语371
附录373
附录A 交叉指型P/G网络初始最佳宽度的估计 373
附录B 多层交叉指型配电网络的首要优化方法 373
附录C 多层交叉指型配电网络的次要优化方法 374
附录D DSDG完全交叉指型配电网格的回路互感 374
附录E DSDG伪交叉指型配电网格的回路互感 375
附录F DSDG完全配对配电网格的回路互感 375
附录G DSDG伪配对配电网格的回路互感 376
参考文献378