線性穩(wěn)壓器：工作原理極其補(bǔ)償

傳統(tǒng)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越難滿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(diào)整模塊無論從物理角度還是電學(xué)角度都遠(yuǎn)不能滿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(shù)上升，芯片退耦電容也不是一個降低動態(tài)噪聲的好方案。儲存在這些集成電容里的能量也隨著供電電壓而成平方級下降。另外，在生產(chǎn)制造中，類似于封裝電容環(huán)形電感和輸電線的串聯(lián)電阻這樣的封裝過濾元件參數(shù)將成指數(shù)增長。[1、Power Delivery section]。在本文中，我們將介紹主動噪聲調(diào)整（ANR）和主動VLSI封裝（AVP）。這些方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：接近于負(fù)載元件；隨電壓而成平方級增長的電容儲能以便于在需要的位置配置穩(wěn)定的電荷池――近似于高電流密度和高速暫態(tài)負(fù)載。

確保技術(shù)效能的一個關(guān)鍵要求就是對高性能ULSI元件電源格的動態(tài)噪聲行為的準(zhǔn)確的理解。用來分析多重芯片電源格的完整堆棧、分布式負(fù)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(qiáng)。這種工具可以把整個系統(tǒng)的噪聲的空間和時間變化形象化，也給設(shè)計(jì)者提供了詳細(xì)的芯片動態(tài)噪聲和臨界路徑活動的互動信息。另外，這些工具還提供了一個ANR和其它有源/無源封裝元件的噪聲最小化沖突的動態(tài)信息。為了謹(jǐn)慎地設(shè)計(jì)布局和ANR開啟時序、無源退耦罩和其它單芯或多芯系統(tǒng)元件，它們提供了設(shè)計(jì)方法。真正的動態(tài)噪聲分析需要有對一個電源格（包括電源所有部分的電源環(huán)狀電感、芯片內(nèi)外駐波諧振器和電阻能耗在內(nèi)）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(tǒng)的動態(tài)噪聲精密分析的PowerESL工具。

主動噪聲調(diào)整主動噪聲調(diào)整是一個無損技術(shù)，它可以給出高性能ULSI系統(tǒng)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(yùn)行過程中頻繁轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)以降低功耗。當(dāng)有應(yīng)用程序運(yùn)行在處理器上的時候，高性能器件的工作狀態(tài)就會轉(zhuǎn)換，而這些轉(zhuǎn)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(fù)載附近存儲的電荷的同時引起輸電網(wǎng)絡(luò)共振。主動噪聲調(diào)整通過對負(fù)載元件電源格快速的可控的本地充電來察覺這個問題。圖1顯示一個嵌入的ANR元件就好像一個FET轉(zhuǎn)換器件。ANR與一個作為電荷池的電容相連，這個電容的充電過程有兩個途徑：通過連有外部高壓電源的電源線或者由系統(tǒng)設(shè)計(jì)決定的電荷泵來填充。這樣就可以通過一個電荷池給ANR提供高于工作過程中的負(fù)載很多倍的電荷。

圖一：ANR元件嵌入圖（專利申請中）

在本文中，我們要討論并展示在一個高性能芯片電源格中ANR的影響。ANR（或者ANR陣列）通過圖6中很短的導(dǎo)線連接到負(fù)載元件。因此ANR就可以完全掌握負(fù)載供電的空間和時間變化。當(dāng)ANR偵測到（或者被告知）在所連接的負(fù)載元件供電格點(diǎn)或格區(qū)中發(fā)生了變化（稱為電壓消沉事件）時，它就會初始化從電荷池到負(fù)載電源格的補(bǔ)償電流。經(jīng)過一個短暫周期的強(qiáng)電流，ANR通過一個可控方式把它切斷，使電荷池重新充滿為其它的暫態(tài)事件做好準(zhǔn)備。

圖2顯示了一個高速系統(tǒng)中的ANR的模擬應(yīng)用結(jié)果，該系統(tǒng)中的負(fù)載1和負(fù)載2電流同圖1。動畫顯示了系統(tǒng)輸電堆棧對供電狀態(tài)變換的響應(yīng)。這個模擬通過模擬芯片格和輸電系統(tǒng)所有元件的一個分布式模型實(shí)現(xiàn)。不同的格間供電電壓引起了不同的向下的偏移，這些偏移被稱作“消沉”。這些消沉降低了芯片區(qū)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：在一個高速系統(tǒng)中使用ANR的分布式模型的模擬結(jié)果。曲面顯示了芯片表面所有點(diǎn)的供電變化Δ（Vdd－Vss）。這個模型包括了一個計(jì)算格導(dǎo)線電勢變化的電場解。這個工具還計(jì)算了電介質(zhì)中的電壓變化。在一個標(biāo)準(zhǔn)單核工作站（包含ANR功能）上運(yùn)行一個6ns、15個時鐘周期的模擬需要大概10分鐘左右的時間。

曲面右側(cè)的負(fù)載工作于沒有ANR的狀態(tài)，而左側(cè)的負(fù)載顯示了包含ANR功能以后對于同樣的負(fù)載電流的格響應(yīng)。我們可以看到：在ANR開啟以后，電壓消沉或減低性能的噪聲顯著地減弱了。

圖3顯示了在芯片格接近兩個負(fù)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(fù)載電流引起的供電噪聲。當(dāng)節(jié)電狀態(tài)變化時，功能塊被打開或關(guān)閉，這時，設(shè)備通過ANR的過濾器調(diào)整到更低頻率的系統(tǒng)級暫態(tài)。高頻噪聲也顯著降低。

從這些結(jié)果來看，很顯然，ANR對控制低頻系統(tǒng)級暫態(tài)特別有效。當(dāng)檢測到消沉的時候，ANR可以同樣有效地檢測到過充。低頻消沉和過充與供電電路電感與封裝和系統(tǒng)板電容有關(guān)，在高速系統(tǒng)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到系統(tǒng)共振頻率以外。這個移動的效果如圖4。圖4還顯示了沿著兩條長導(dǎo)線的噪聲傳播。a曲線被連到ANR電路附近的封裝格，b曲線位于沒有ANR的負(fù)載附近。ANR引起的頻率移動和對應(yīng)的波長減小對系統(tǒng)的噪聲都有明顯的影響。

圖4：沿著兩條導(dǎo)線的分布式Vdd和Vss供電變化。該模擬包含了一個連接到芯片場解的對稱導(dǎo)線對的列表。ANR通過減弱臨近導(dǎo)體的共振來改變噪聲頻譜。

動態(tài)噪聲取決于漏電流和電壓

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

圖5：簡化的功耗格模型

在這個模型中，負(fù)載端壓降由下式給出：

一般來說，負(fù)載電流（I）是供電噪聲的非線性函數(shù)，并且(3)只有數(shù)字解。然而，我們可以看到一些對負(fù)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)工藝相對于過去有著更高的靜態(tài)漏電流。動態(tài)壓降提供了一個可以降低總體噪聲級別的負(fù)反饋，漏電流也隨之迅速下降。對系統(tǒng)負(fù)載電流做一次近似（三極管漏電流隨供電電壓線性增長）：

這樣一個大靜態(tài)漏電流使系統(tǒng)噪聲整