Оптимизация сетки питания СБИС Поминова А. А. НИИ системных исследований РАН, Москва Москва 2012

2 НИИСИ РАН Содержание Введение Метод тангенциальных составляющих (МТС) Модифицированный метод тангенциальных составляющих (ММТС) Реализация метода ММТС Результаты моделирования Заключение

3 НИИСИ РАН Введение Плотность тока, а значит и падение напряжения на кристалле увеличиваются с каждым поколением технологии Прямой путь снижения падения напряжения ведет к увеличению площади сети питания Задача: снизить падение напряжения, не увеличивая площади сети земли/питания на кристалле

4 НИИСИ РАН Структура сети питания Общепринятая структура сети питания СБИС: регулярная сетка, с тонкими и частыми трассами, в нескольких слоях металла Две составляющие сопротивления: резистивная (Vdrop) и индуктивная Источники напряжения Контактные площадки: периферийные или распределённые по площади (flip-chip) В этой работе рассматривается: статическое падение напряжения, периферийные контактные площадки

5 НИИСИ РАН Пример распределения падения напряжения Равномерное распределение потребления на кристалле Ток внутри эквипотенциального кольца равен суммарному току, текущему через переходные окна в области данного кольца Кольцо питания Область максимальной просадки Эквипотенциальные кольца

6 НИИСИ РАН Метод тангенциальных составляющих 1/2 На графике: изменение максимального падения напряжения в зависимости от ширин тангенциальных и радиальных сегментов Радиальные сегменты влияют на падение напряжения гораздо сильнее, чем тангенциальные сегменты ток в тангенциальных сегментах близок к нулю

7 НИИСИ РАН Метод используется для двух верхних слоёв металла Упрощение: эквипотенциальные кольца считаются квадратными по всей площади кристалла Внутри каждого кольца производится перераспределение сопротивления между радиальными и тангенциальными составляющими Проводится коррекция, связанная с неравномерным распределением потребления и неквадратной формой эквипотенциальных колец Метод тангенциальных составляющих 2/2

8 НИИСИ РАН Реализация МТС Условие: Необходимо знать ток на всех узлах сетки (часто – до 1 млн узлов) В современных СБИС размерность сетки питания может достигать 1000x1000 и больше около 500 эквипотенциальных колец

9 НИИСИ РАН Итоги реализации МТС На сетке размерностью 33x33: метод МТС позволяет снизить падение напряжения на 33% Ввиду сложности обработки данных и операции пост-коррекции сопротивлений сегментов – время и трудозатраты на написание программы, реализующей необходимую топологию сети питания в САПР слишком высоки Для решения проблемы предлагается модифицированный метод тангенциальных составляющих (ММТС)

10 НИИСИ РАН Модифицированный метод тангенциальных составляющих

11 НИИСИ РАН Реализация До оптимизации После оптимизации Фрагменты сетки питания в двух верхних слоях металлов:

12 НИИСИ РАН Результаты моделирования Падение напряжения до оптимизации, В 0,131 Падение напряжения после оптимизации, В 0,120,110,100,093 Кол-во нарушений конструктивно- топологических ограничений Частота, МГц Снижение падения напряжения, % 8,

13 НИИСИ РАН До оптимизацииПосле оптимизации 5% S; Vdrop 8,3% Vdrop 7,5% Vdrop 6,7% Vdrop 5,8% 63% S; Vdrop 5% 0,5% S; Vdrop 6,8% Vdrop 6,7% Vdrop 5,8% 81% S; Vdrop 5%

14 НИИСИ РАН Заключение МТС – до 33% снижения падения напряжения, но большие временные и трудозатраты ММТС – до 29% снижения падения напряжения, но значительно быстрее и проще в реализации Реализация ММТС на сетке питания высокопроизводительного микропроцессора, выполненного по технологии 0,18 КМОП позволила снизить максимальное падение напряжения на 16% Оптимизация при помощи ММТС позволяет не только снизить максимальное падения напряжения на кристалле, но и уменьшить площадь с максимальным падением напряжения