第1部分 一般性背景 2
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 102
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 182
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
16.1 4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 232
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 280
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 312
第27章 多片上电源系统 312
27.1多电源电压IC 312
27.1.1多电源电压技术 313
27.1.2 CVS 314
27.1.3 ECVS 315
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 371
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