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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