本書全面論述了電源完整性問題，特別是在納米級工藝下系統(tǒng)芯片的電源完整性的基本概念，揭示了其對于集成電路系統(tǒng)的重要意義，討論了電源完整性問題在小工藝線寬下所遇到的種種挑戰(zhàn)，以及為解決這些問題所引入的先進分析方法、管理技術(shù)及可用于設(shè)計前期的具有突破性的實用工具。
本書涵蓋了電源完整性問題從基礎(chǔ)理論到先進技術(shù)的各個方面，可作為相關(guān)專業(yè)本科生及研究生的教學(xué)指導(dǎo)用書。同時與其他大多數(shù)同類書籍相比，該書更強調(diào)直觀理解、實用工具和工程實踐，因而對于工作在納米級工藝下，負責(zé)信號完整性、電源完整性、硬件設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計的工程師而言將是不可或缺的參考資料。
Rajendran Nair，（美）拉賈德.奈爾, Donald Bennett，（美）唐納德.貝內(nèi)特，長期從事電源完整性分析與管理工作，特別是納米級工藝下對系統(tǒng)芯片的電源完整性分析與管理技術(shù)，發(fā)表論文多篇，專利多項。
第1章 功率、功率傳輸及電源完整性
1.1 電動勢
1.1.1 力電壓類比
1.2 功率
1.2.1 功率的物理類比
1.2.2 電源
1.2.3 電力電子電路與系統(tǒng)的供電
1.3 電源配送
1.3.1 中央直流電源傳輸模塊
1.3.2 集成電源配送
1.3.3 電源分配網(wǎng)絡(luò)
1.3.4 電源配送調(diào)節(jié)
1.4 電源完整性
1.4.1 電源完整性降低的原因
1.5 練習(xí)題 第1章 功率、功率傳輸及電源完整性
1.1 電動勢
1.1.1 力電壓類比
1.2 功率
1.2.1 功率的物理類比
1.2.2 電源
1.2.3 電力電子電路與系統(tǒng)的供電
1.3 電源配送
1.3.1 中央直流電源傳輸模塊
1.3.2 集成電源配送
1.3.3 電源分配網(wǎng)絡(luò)
1.3.4 電源配送調(diào)節(jié)
1.4 電源完整性
1.4.1 電源完整性降低的原因
1.5 練習(xí)題
參考文獻
第2章 巨大規(guī)模集成電路及其功率挑戰(zhàn)
2.1 指數(shù)集成度和半導(dǎo)體尺寸
2.1.1 微處理器體系結(jié)構(gòu)的功率發(fā)展趨勢
2.1.2 晶體管尺寸縮小及其影響
2.2 功率和能量消耗
2.2.1 電容充電的功耗和能耗
2.2.2 其他功率損耗
2.3 功率、熱和電源完整性的挑戰(zhàn)
2.3.1 電源完整性和縮放造成的影響
2.4 練習(xí)題
參考文獻
第3章 芯片的電源完整性和功率傳輸優(yōu)化
3.1 功率傳輸及效率
3.1.1 最大功率傳輸理論
3.1.2 電源芯片
3.1.3 電源的噪聲和閉環(huán)功率傳輸?shù)牟罘痔匦?
3.1.4 噪聲和電源完整性
3.2 優(yōu)化芯片的功率傳輸：片上電感和網(wǎng)格設(shè)計
3.2.1 片上電源網(wǎng)格分析的等效電路模型
3.2.2 負載電流的斜率和電容位置對噪聲的影響
3.2.3 電源網(wǎng)格功耗分布分析
3.2.4 帶片上電感的電源網(wǎng)格的魯棒設(shè)計
3.3 電源網(wǎng)格成本因素的折中分析和設(shè)計
3.3.1 功率傳輸網(wǎng)格設(shè)計的成本因素
3.3.2 功率傳輸網(wǎng)格設(shè)計的折中分析
3.4 練習(xí)題
參考文獻
第4章 電源完整性預(yù)分析及抽象
4.1 工藝，電壓和溫度：設(shè)計驗證空間
4.1.1 電源波動分配
4.2 后端和前端電源完整性分析
4.2.1 集成電路中的電源完整性分析差距
4.2.2 前端電源完整性分析
4.2.3 芯片組件的抽象
4.3 高層次抽象模型的仿真環(huán)境
4.3.1 連續(xù)介質(zhì)模型
4.4 抽象和電源完整性實例分析
4.4.1 最佳片上電源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計
4.4.2 系統(tǒng)級前端仿真
4.5 本章小結(jié)及鞏固
4.6 練習(xí)題
參考文獻
第5章 電源完整性分析與EMI/EMC
5.1 引言
5.2 通過電源分布網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生和傳播的噪聲分析
5.2.1 電源和接地噪聲來源
5.2.2 PDN中目標阻抗的計算
5.2.3 來自PDN阻抗的電源地噪聲評估
5.3 降低PDN中噪聲的去耦電容建模
5.3.1 板上去耦電容
5.3.2 封裝級去耦電容
5.3.3 片上去耦電容
5.4 電源傳輸網(wǎng)絡(luò)中的電流設(shè)計方法學(xué)
5.4.1 第一步：盡可能地減小PDN的電感
5.4.2 第二步：板上去耦電容的使用
5.4.3 第三步：封裝去耦電容的使用
5.4.4 第四步：片上去耦電容的使用
5.5 建模方法
5.5.1 低頻近似
5.5.2 高頻方法
5.5.3 數(shù)值方法學(xué)分類
5.5.4 數(shù)值方法比較的一個實例研究
5.6 數(shù)值方法
5.6.1 積分方程方法
5.6.2 差分方程方法
5.7 電源和信號傳遞分析方法及限制
5.7.1 基于工具范疇的限制
5.7.2 工具限制的例證
5.8 電源完整性電磁干擾檢測分析
5.8.1 PDN組成部分及相關(guān)電源完整性問題
5.8.2 由SSO/SSN高電流暫態(tài)產(chǎn)生的系統(tǒng)級電源軌噪聲
5.8.3 封裝和PCB的平面共振
5.8.4 系統(tǒng)級去耦優(yōu)化
5.8.5 回路參考平面的不連續(xù)性
5.9 現(xiàn)有的EMI技術(shù)的優(yōu)勢和局限
5.10 早期的電源完整性檢測、EMI建模及分析流程
5.10.1 早期電源完整性組成部分檢測EMI流程
5.10.2 版圖設(shè)計、提取及模型建立
5.11 SI、PI和EMI總結(jié)
5.12 練習(xí)題
參考文獻
第6章 電源分配建模與電源完整性分析
6.1 引言
6.2 電源分配網(wǎng)格的建模
6.3 電源分配模型的數(shù)值分析
6.4 差模噪聲與共模噪聲
6.5 驗證與誤差分析
6.6 片上總線開關(guān)電流建模
6.7 總線模型的驗證
6.8 用以減小電源分布噪聲的總線偏斜
6.9 實例研究：電源分布噪聲的降低
6.10 練習(xí)題
6.11 附錄一公式(6?37）的方程系數(shù)推導(dǎo)
參考文獻
第7章 有效的電流密度和連續(xù)模型
7.1 電路和模型簡化
7.2 有效電流密度的定義
7.3 有效電流密度和虛擬電流
7.4 有導(dǎo)體，絕緣體，和其他組件的網(wǎng)絡(luò)的對稱性
7.5 使用ECD的一個連續(xù)模型
7.6 一個基于連續(xù)性模型的IC版圖仿真
7.7 連續(xù)性模型與SPICE模型對比
7.8 納米級CMOS集成電路的模型優(yōu)化
7.9 練習(xí)題
參考文獻
第8章 考慮電源完整性的芯片布局規(guī)劃與設(shè)計
8.1 電源完整性設(shè)計：納米時代下的考慮
8.1.1 系統(tǒng)要求
8.1.2 芯片成本
8.1.3 性能
8.1.4 功耗最小化
8.1.5 其他考慮
8.2 電源完整性設(shè)計：技術(shù)
8.2.1 功耗管理
8.2.2 電源網(wǎng)格設(shè)計
8.2.3 芯片布局規(guī)劃和去耦電容
8.3 電源管理和電源完整性
8.3.1 電源管理技術(shù)
8.3.2 電源完整性的含義
參考文獻
第9章 集成電路與系統(tǒng)中的電源完整性管理
9.1 芯片級電源完整性管理
9.1.1 主要技術(shù)
9.1.2 片上噪聲測量和建模
9.1.3 依賴于電壓的去耦電容
9.1.4 優(yōu)勢和技術(shù)
9.2 系統(tǒng)級和封裝級的PI管理
9.2.1 系統(tǒng)級的PI管理
9.2.2 封裝上安裝的電容
9.2.3 有源封裝和有源噪聲調(diào)節(jié)
9.2.4 封裝PI管理小結(jié)
9.3 練習(xí)題
參考文獻
第10章 集成技術(shù)，發(fā)展趨勢及挑戰(zhàn)
10.1 芯片級集成
10.1.1 低功耗系統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)
10.1.2 受益于多個獨立柵FinFET 結(jié)構(gòu)的應(yīng)用：SRAM
10.1.3 器件結(jié)構(gòu)總結(jié)
10.2 封裝級集成
10.2.1 先進封裝技術(shù)
10.3 電源完整性管理模塊的集成化趨勢
參考文獻
補充閱讀材料
附錄A ECD連續(xù)模型的推導(dǎo)
附錄B 平面電路的亥姆霍茨方程的推導(dǎo)
前 言
本書是我們在納米技術(shù)時代首次鄭重地揭開電源完整性設(shè)計的神秘面紗，書中將詳細介紹電源完整性的概念與分析方法，以及集成電路的電源完整性管理。
本書重點關(guān)注集成電路的電源完整性部分。本書既可作為見習(xí)工程師獲取集成電路設(shè)計簡介的教材，也可作為已有一定設(shè)計技巧的工程師開發(fā)集成系統(tǒng)的有益參考。因此，書中的每一個章節(jié)既會強調(diào)基本的概念、原理、直觀的理解，同時也會討論一些新概念與新技術(shù)。本書與以往著作不同的一點是強調(diào)了集成電路及系統(tǒng)行為的真實物理模型。我們在直觀地理解電源完整性基本物理意義的基礎(chǔ)上，通過與力學(xué)系統(tǒng)及其基本法則的對比，探究了集成電路性能差異比例因電源完整性影響而呈現(xiàn)上升趨勢并逐漸成為主導(dǎo)的根本原因。
簡單的實例更有助于說明電源完整性對于集成電路與系統(tǒng)的重要性。隨著當今集成系統(tǒng)變得日益強大、便攜，系統(tǒng)和設(shè)備的功率及能耗成為設(shè)計的一個關(guān)鍵約束。電源完整性，盡管在決定電路功率損耗上起著最主要的作用，但是卻較少受人關(guān)注。舉例而言，我們都知道在娛樂場所中如果將燈光調(diào)暗得過快，或電視屏幕亮度的急劇變化對我們的眼睛有害。因此我們想要降低照明能耗完全取決于光噪聲的大小。這個道理同樣適用于集成電路：一個最基本的方法就是降低電源電壓以最大限度地降低功率及能耗，這直接取決于電源噪聲的大小，或者說這就是電源完整性。
我們承認，這項工作的動力很大程度源于對高性能微處理器的電源完整性的研究，而不是低功耗片上系統(tǒng)各電路模塊的節(jié)能需求。通過對未來幾代處理器封裝技術(shù)的研究，我們充分認識到，目前缺少像樣的工具來判斷電源電壓噪聲與電路關(guān)鍵路徑在時序上的一致性。而在封裝設(shè)計中，對電源完整性管理元器件，比如封裝電容等的布局優(yōu)化，依然只能在整個設(shè)計完成之后再做考慮。非物理近似，比如簡化電阻電容模型，常用來分析一個芯片的電源分配網(wǎng)絡(luò)。我們也很清楚，提取片上互連線、電阻、電容、電感這些關(guān)鍵電磁參數(shù)，以及對這些提取了寄生參數(shù)的電路模塊和系統(tǒng)進行仿真，是高難度且計算復(fù)雜度漸長的工作。因此，片上電源分配網(wǎng)格的優(yōu)化、電路模塊的版圖布局、去耦電容的分布都會影響到芯片的整體質(zhì)量。更重要的是，我們已經(jīng)認識到對電路的電源完整性分析而言，目前缺少的是一種用于芯片設(shè)計早期的前端仿真工具，這種仿真工具應(yīng)該能較好地分配芯片資源，包括金屬連線、去耦電容和電源電壓墊腳等外部連接。這些因素實際制約著物理設(shè)計的質(zhì)量和設(shè)計的自由度，也往往導(dǎo)致芯片資源的過度分配，或過多的重復(fù)設(shè)計。特別是在納米級的制造工藝下，更是存在許多挑戰(zhàn)。就目前而言，最迫切的還是需要一種廣泛的、能進行真實物理模型研究，同時具有前端分析能力的工具。這也將是集成器件持續(xù)按比例縮小將遇到的最大挑戰(zhàn)。
我們傾其所能，把過去十多年中我們在集成電路這一重要領(lǐng)域所學(xué)到的和研究過的內(nèi)容寫進這部書里。根據(jù)我們在這一領(lǐng)域的工作經(jīng)驗，通過高層次抽象、物理建模和分析能解決電源完整性方面的諸多挑戰(zhàn)。這本書在講述這些知識的同時，還將介紹一些傳統(tǒng)的及先進的應(yīng)用于電源完整性分析的方法及技術(shù)。
雖然我們廣泛討論了功率、電源完整性、電源、電源分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、電源完整性管
理等各方面必要的知識，但是本書只是非常簡單地對這一復(fù)雜的課題進行入門級介紹。書中的某些討論可能顯得過于簡單，某些內(nèi)容又顯得過于繁縟，有很多插圖，甚至?xí)兄貜?fù)內(nèi)容。但這樣應(yīng)該會更易于讀者掌握所討論的理論和定理，我們也相信初學(xué)者會找到一些非常有用的解釋、范例和反復(fù)說明。各水平層次的讀者也許會發(fā)現(xiàn)我們設(shè)計的習(xí)題還能引發(fā)超出教學(xué)內(nèi)容的思考。為了使讀者對集成電路的電源完整性有更全面的認識，本書盡量把公式推導(dǎo)作為第一準則，并且著重于直觀的理解。當然在公式推理的同時，也適時地給出一些經(jīng)驗解釋。
作為一項研究，錯誤在所難免，我們虛心接受廣大讀者的意見；我們在書中大膽提出的一些概念尚未得到普遍認可，因此還需要讀者們在自己的工作中進行充分驗證。我們相信，經(jīng)驗豐富的工程師因為自身工作的關(guān)系，在看到書中一些新穎的想法和概念時會與我們產(chǎn)生共鳴，或許還會進行進一步的探索并繼續(xù)推動這項研究。例如，我們將“差分電源分配法”稱為“寬帶”電源電壓分配法。從事信號完整性分析的工程師可能會欣賞這個概念的提法，因為這與幾乎已經(jīng)取代“單端信號”的“差分信號傳輸”的概念有相似性。我們還討論了有源噪聲調(diào)制，有源噪聲調(diào)制是一種通過動態(tài)改變連接電源網(wǎng)格的阻抗值來提高電源完整性的技術(shù)。我們信心十足地提出諸如此類的概念和方法，比如“整體集成”的概念，又比如創(chuàng)造性地通過動態(tài)時序分析以電源波動技術(shù)來提高電路性能的方法等，盡管這些概念和方法還沒有得到足夠的應(yīng)用和經(jīng)驗性的實例來佐證。我們也期待讀者和其他研究人員在閱讀本書的過程中能發(fā)現(xiàn)這些概念是耐人尋味、富于啟發(fā)性的。
本書結(jié)構(gòu)
整體而言，本書可分為4個不同的部分。第一部分是第1章到第3章，介紹電源完整性的基本知識、器件持續(xù)按比例縮小給電源與電源完整性帶來的挑戰(zhàn)、電源分配的實際應(yīng)用，以及整體電源完整性對芯片物理設(shè)計優(yōu)化的重要作用。第二部分是第4章到第7章，著重介紹各種電源分配網(wǎng)絡(luò)的建模、設(shè)計與分析。這些章節(jié)重點強調(diào)了抽象和基于物理層面的分析，同時也提供了大量對于傳統(tǒng)電路和基于場解算器技術(shù)的討論。第三部分重點敘述版布局布線和電源完整性管理的各種技術(shù)的應(yīng)用。這一部分由第8、9兩章構(gòu)成，主要討論了電源完整性管理最新的概念和應(yīng)用。第10章通過討論電源完整性的發(fā)展趨勢及未來的挑戰(zhàn)作為本書的結(jié)尾。下面是每個章節(jié)的簡介和推薦的閱讀方法。
第1章，“功率、功率傳輸及電源完整性”，采用物理類比的方法向讀者展示了電源和電源完整性的直觀理解。例如，將“力電壓類比”用于已有的相關(guān)概念，把電學(xué)里的電源、電能類比為物理學(xué)中等效的物理量。初學(xué)者會感覺這一章有助于加強對電源完整性的了解，有經(jīng)驗的工程師則可以略過這些內(nèi)容，或者也可以瀏覽這一章，復(fù)習(xí)并且體會一些重要的概念。
第2章和第3章是本書第一部分的重點，無論是對這一領(lǐng)域的初學(xué)者還是對經(jīng)驗豐富的設(shè)計者都適用。第2章“巨大規(guī)模集成電路及其功率挑戰(zhàn)”，通過對比“納米級”與之前集成電路制造工藝的差異，對CMOS電路按比例縮放和“能量延時”的基本概念進行深入的討論。本章為介紹“整體電源完整性”奠定基礎(chǔ)，包括芯片電源網(wǎng)格的電感特性，該特性與芯片功耗和性能相關(guān)。缺乏對信號傳播時所產(chǎn)生的電磁感應(yīng)的分析將會造成潛在的錯誤。本章還推導(dǎo)出“按比例縮放驅(qū)動能力”這一直接影響電源完整性和系統(tǒng)性能的關(guān)系。第3章“芯片的電源完整性和功率傳輸優(yōu)化”，討論了電源傳輸和集成電路的電源分配，尤其詳細地介紹了“電壓調(diào)制分配”與高效開關(guān)電源轉(zhuǎn)換、縮放之間的關(guān)系。這些章節(jié)明確地
表明片上電磁感應(yīng)對于芯片電源分配網(wǎng)格設(shè)計的重要性，同時提供了與電源完整性分析相結(jié)合的方法。
第4章到第7章，具體討論了各種電源分配網(wǎng)絡(luò)建模和分析技術(shù)，適用于本領(lǐng)域各個層次的讀者。第4章“電源完整性預(yù)分析及抽象”，詳細介紹了基于芯片和電源分配網(wǎng)絡(luò)建模的前端分析與抽象。第5章“電源完整性分析與EMI/EMC”，首先對傳統(tǒng)的電源分配網(wǎng)絡(luò)建模和電阻管理進行了詳細的描述，討論了建模方法和數(shù)值分析，說明了基于3D場解算器方法的重要性和準確性。這一章隨后也闡述了可將這種分析方法用于研究電源完整性與芯片封裝中電磁輻射這兩者間的密切關(guān)系，再一次強調(diào)對電源完整性以及EMI進行全面、系統(tǒng)的前端分析的必要性。第6章“電源分配建模與電源完整性分析”，展示了一種由分布的RLC元件構(gòu)成的建模技術(shù)可對片上電源分配進行高效、準確的分析，這一技術(shù)也被用來評估不同的降低電源噪聲的方法。第7章“有效的電流密度和連續(xù)模型”，介紹了一種新型的建模方法，把一個電源分配網(wǎng)絡(luò)的抽象轉(zhuǎn)變成一個連續(xù)模型，從而大大減少了計算的復(fù)雜度。這一章提供了眾多例證來說明對芯片布局規(guī)劃進行抽象建模的優(yōu)點，并將基于連續(xù)模型的仿真器與SPICE仿真器進行了比較。
第8章和第9章將工業(yè)界對于電源和電源完整性管理的現(xiàn)代化先進技術(shù)和概念，以及考慮電源完整性的布局規(guī)劃加以結(jié)合。第8章著重考慮電源完整性的布局布線及芯片設(shè)計，并且討論了電源管理技術(shù)對集成電路電源完整性的影響。第9章詳細介紹了芯片級和封裝級的電源完整性技術(shù)，對一些新興技術(shù)，譬如去耦電容溝道長度設(shè)計、三井制造工藝、壓控電容和有源封裝等，進行了一定的探索和研究。這幾個章節(jié)建議有經(jīng)驗的工程師仔細閱讀。
第10章作為結(jié)束本書的一個簡短章節(jié)，討論了保持器件持續(xù)縮小和電子集成度持續(xù)增大的先進技術(shù)及發(fā)展趨勢。在這一章中讀者會看到大量的實例，展示了集成技術(shù)伴隨著半導(dǎo)體以及封裝技術(shù)的發(fā)展向3D方向發(fā)展的事實。同時對集成技術(shù)微型化和低成本的要求進行了詳細說明，再次強調(diào)了目前在電源、發(fā)熱和電源完整性方面所面臨的諸多挑戰(zhàn)。
輔助資料
本書附錄為有較多數(shù)學(xué)運算的章節(jié)提供更為詳盡的推導(dǎo)細節(jié)和理論分析。附錄A是基于連續(xù)模型對電源網(wǎng)格有效電流密度的詳細推導(dǎo)。附錄B提供了對亥姆霍茲平面電路方程的推導(dǎo)。
書中提供的所有互聯(lián)網(wǎng)鏈接地址目的是使讀者能夠隨時獲得最新的可視化仿真結(jié)果，以及在線參考文獻。同樣，在所有章節(jié)中的腳注是為了給讀者澄清一些不常見的術(shù)語和概念。
基于連續(xù)模型，能進行芯片電源網(wǎng)格、電路模塊仿真及電容抽象的仿真器RLCS.exe，可以從Anasim網(wǎng)站免費下載
件可在微軟視窗下使用，安裝軟件中包括了它的使用手冊和一些我們在第4章所提到的實例。
深入研究
第9章的參考文獻清單一開頭列出了這一領(lǐng)域的其他幾部參考書籍，這些書中對印制電路板、平面電路、無源器件、傳輸線，以及其他一些相關(guān)電路做了精彩的論述。我們希望我們的這本書對集成電路和電源完整性技術(shù)的討論能夠成為其他同類著作的有益補充，為進一步研究先進的分析方法和電源完整性管理做好鋪墊。相信我們在書中討論的電源完整性建模及如何提高電路設(shè)計中的電源完整性分析能力，將會是納米尺度下促使3D技術(shù)和整體集成技術(shù)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。我們在這里分享這項研究的成果，希望能為后來者拋磚引玉，在這一領(lǐng)域開展更加深入的研究。
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