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| 內容簡介： |
本书全面论述了电源完整性问题，特别是在纳米级工艺下系统芯片的电源完整性的基本概念，揭示了其对于集成电路系统的重要意义，讨论了电源完整性问题在小工艺线宽下所遇到的种种挑战，以及为解决这些问题所引入的先进分析方法、管理技术及可用于设计前期的具有突破性的实用工具。
本书涵盖了电源完整性问题从基础理论到先进技术的各个方面，可作为相关专业本科生及研究生的教学指导用书。同时与其他大多数同类书籍相比，该书更强调直观理解、实用工具和工程实践，因而对于工作在纳米级工艺下，负责信号完整性、电源完整性、硬件设计、系统设计的工程师而言将是不可或缺的参考资料。
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| 關於作者： |
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Rajendran Nair，（美）拉贾德.奈尔, Donald Bennett，（美）唐纳德.贝内特，长期从事电源完整性分析与管理工作，特别是纳米级工艺下对系统芯片的电源完整性分析与管理技术，发表论文多篇，专利多项。
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| 目錄：
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第1章 功率、功率传输及电源完整性
1.1 电动势
1.1.1 力电压类比
1.2 功率
1.2.1 功率的物理类比
1.2.2 电源
1.2.3 电力电子电路与系统的供电
1.3 电源配送
1.3.1 中央直流电源传输模块
1.3.2 集成电源配送
1.3.3 电源分配网络
1.3.4 电源配送调节
1.4 电源完整性
1.4.1 电源完整性降低的原因
1.5 练习题
参考文献
第2章 巨大规模集成电路及其功率挑战
2.1 指数集成度和半导体尺寸
2.1.1 微处理器体系结构的功率发展趋势
2.1.2 晶体管尺寸缩小及其影响
2.2 功率和能量消耗
2.2.1 电容充电的功耗和能耗
2.2.2 其他功率损耗
2.3 功率、热和电源完整性的挑战
2.3.1 电源完整性和缩放造成的影响
2.4 练习题
参考文献
第3章 芯片的电源完整性和功率传输优化
3.1 功率传输及效率
3.1.1 最大功率传输理论
3.1.2 电源芯片
3.1.3 电源的噪声和闭环功率传输的差分特性
3.1.4 噪声和电源完整性
3.2 优化芯片的功率传输：片上电感和网格设计
3.2.1 片上电源网格分析的等效电路模型
3.2.2 负载电流的斜率和电容位置对噪声的影响
3.2.3 电源网格功耗分布分析
3.2.4 带片上电感的电源网格的鲁棒设计
3.3 电源网格成本因素的折中分析和设计
3.3.1 功率传输网格设计的成本因素
3.3.2 功率传输网格设计的折中分析
3.4 练习题
参考文献
第4章 电源完整性预分析及抽象
4.1 工艺，电压和温度：设计验证空间
4.1.1 电源波动分配
4.2 后端和前端电源完整性分析
4.2.1 集成电路中的电源完整性分析差距
4.2.2 前端电源完整性分析
4.2.3 芯片组件的抽象
4.3 高层次抽象模型的仿真环境
4.3.1 连续介质模型
4.4 抽象和电源完整性实例分析
4.4.1 最佳片上电源网络设计
4.4.2 系统级前端仿真
4.5 本章小结及巩固
4.6 练习题
参考文献
第5章 电源完整性分析与EMIEMC
5.1 引言
5.2 通过电源分布网络产生和传播的噪声分析
5.2.1 电源和接地噪声来源
5.2.2 PDN中目标阻抗的计算
5.2.3 来自PDN阻抗的电源地噪声评估
5.3 降低PDN中噪声的去耦电容建模
5.3.1 板上去耦电容
5.3.2 封装级去耦电容
5.3.3 片上去耦电容
5.4 电源传输网络中的电流设计方法学
5.4.1 第一步：尽可能地减小PDN的电感
5.4.2 第二步：板上去耦电容的使用
5.4.3 第三步：封装去耦电容的使用
5.4.4 第四步：片上去耦电容的使用
5.5 建模方法
5.5.1 低频近似
5.5.2 高频方法
5.5.3 数值方法学分类
5.5.4 数值方法比较的一个实例研究
5.6 数值方法
5.6.1 积分方程方法
5.6.2 差分方程方法
5.7 电源和信号传递分析方法及限制
5.7.1 基于工具范畴的限制
5.7.2 工具限制的例证
5.8 电源完整性电磁干扰检测分析
5.8.1 PDN组成部分及相关电源完整性问题
5.8.2 由SSOSSN高电流暂态产生的系统级电源轨噪声
5.8.3 封装和PCB的平面共振
5.8.4 系统级去耦优化
5.8.5 回路参考平面的不连续性
5.9 现有的EMI技术的优势和局限
5.10 早期的电源完整性检测、EMI建模及分析流程
5.10.1 早期电源完整性组成部分检测EMI流程
5.10.2 版图设计、提取及模型建立
5.11 SI、PI和EMI总结
5.12 练习题
参考文献
第6章 电源分配建模与电源完整性分析
6.1 引言
6.2 电源分配网格的建模
6.3 电源分配模型的数值分析
6.4 差模噪声与共模噪声
6.5 验证与误差分析
6.6 片上总线开关电流建模
6.7 总线模型的验证
6.8 用以减小电源分布噪声的总线偏斜
6.9 实例研究：电源分布噪声的降低
6.10 练习题
6.11 附录一公式6?37）的方程系数推导
参考文献
第7章 有效的电流密度和连续模型
7.1 电路和模型简化
7.2 有效电流密度的定义
7.3 有效电流密度和虚拟电流
7.4 有导体，绝缘体，和其他组件的网络的对称性
7.5 使用ECD的一个连续模型
7.6 一个基于连续性模型的IC版图仿真
7.7 连续性模型与SPICE模型对比
7.8 纳米级CMOS集成电路的模型优化
7.9 练习题
参考文献
第8章 考虑电源完整性的芯片布局规划与设计
8.1 电源完整性设计：纳米时代下的考虑
8.1.1 系统要求
8.1.2 芯片成本
8.1.3 性能
8.1.4 功耗最小化
8.1.5 其他考虑
8.2 电源完整性设计：技术
8.2.1 功耗管理
8.2.2 电源网格设计
8.2.3 芯片布局规划和去耦电容
8.3 电源管理和电源完整性
8.3.1 电源管理技术
8.3.2 电源完整性的含义
参考文献
第9章 集成电路与系统中的电源完整性管理
9.1 芯片级电源完整性管理
9.1.1 主要技术
9.1.2 片上噪声测量和建模
9.1.3 依赖于电压的去耦电容
9.1.4 优势和技术
9.2 系统级和封装级的PI管理
9.2.1 系统级的PI管理
9.2.2 封装上安装的电容
9.2.3 有源封装和有源噪声调节
9.2.4 封装PI管理小结
9.3 练习题
参考文献
第10章 集成技术，发展趋势及挑战
10.1 芯片级集成
10.1.1 低功耗系统的器件结构
10.1.2 受益于多个独立栅FinFET 结构的应用：SRAM
10.1.3 器件结构总结
10.2 封装级集成
10.2.1 先进封装技术
10.3 电源完整性管理模块的集成化趋势
参考文献
补充阅读材料
附录A ECD连续模型的推导
附录B 平面电路的亥姆霍茨方程的推导
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| 內容試閱：
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前 言
本书是我们在纳米技术时代首次郑重地揭开电源完整性设计的神秘面纱，书中将详细介绍电源完整性的概念与分析方法，以及集成电路的电源完整性管理。
本书重点关注集成电路的电源完整性部分。本书既可作为见习工程师获取集成电路设计简介的教材，也可作为已有一定设计技巧的工程师开发集成系统的有益参考。因此，书中的每一个章节既会强调基本的概念、原理、直观的理解，同时也会讨论一些新概念与新技术。本书与以往著作不同的一点是强调了集成电路及系统行为的真实物理模型。我们在直观地理解电源完整性基本物理意义的基础上，通过与力学系统及其基本法则的对比，探究了集成电路性能差异比例因电源完整性影响而呈现上升趋势并逐渐成为主导的根本原因。
简单的实例更有助于说明电源完整性对于集成电路与系统的重要性。随着当今集成系统变得日益强大、便携，系统和设备的功率及能耗成为设计的一个关键约束。电源完整性，尽管在决定电路功率损耗上起着最主要的作用，但是却较少受人关注。举例而言，我们都知道在娱乐场所中如果将灯光调暗得过快，或电视屏幕亮度的急剧变化对我们的眼睛有害。因此我们想要降低照明能耗完全取决于光噪声的大小。这个道理同样适用于集成电路：一个最基本的方法就是降低电源电压以最大限度地降低功率及能耗，这直接取决于电源噪声的大小，或者说这就是电源完整性。
我们承认，这项工作的动力很大程度源于对高性能微处理器的电源完整性的研究，而不是低功耗片上系统各电路模块的节能需求。通过对未来几代处理器封装技术的研究，我们充分认识到，目前缺少像样的工具来判断电源电压噪声与电路关键路径在时序上的一致性。而在封装设计中，对电源完整性管理元器件，比如封装电容等的布局优化，依然只能在整个设计完成之后再做考虑。非物理近似，比如简化电阻电容模型，常用来分析一个芯片的电源分配网络。我们也很清楚，提取片上互连线、电阻、电容、电感这些关键电磁参数，以及对这些提取了寄生参数的电路模块和系统进行仿真，是高难度且计算复杂度渐长的工作。因此，片上电源分配网格的优化、电路模块的版图布局、去耦电容的分布都会影响到芯片的整体质量。更重要的是，我们已经认识到对电路的电源完整性分析而言，目前缺少的是一种用于芯片设计早期的前端仿真工具，这种仿真工具应该能较好地分配芯片资源，包括金属连线、去耦电容和电源电压垫脚等外部连接。这些因素实际制约着物理设计的质量和设计的自由度，也往往导致芯片资源的过度分配，或过多的重复设计。特别是在纳米级的制造工艺下，更是存在许多挑战。就目前而言，最迫切的还是需要一种广泛的、能进行真实物理模型研究，同时具有前端分析能力的工具。这也将是集成器件持续按比例缩小将遇到的最大挑战。
我们倾其所能，把过去十多年中我们在集成电路这一重要领域所学到的和研究过的内容写进这部书里。根据我们在这一领域的工作经验，通过高层次抽象、物理建模和分析能解决电源完整性方面的诸多挑战。这本书在讲述这些知识的同时，还将介绍一些传统的及先进的应用于电源完整性分析的方法及技术。
虽然我们广泛讨论了功率、电源完整性、电源、电源分配网络设计、电源完整性管
理等各方面必要的知识，但是本书只是非常简单地对这一复杂的课题进行入门级介绍。书中的某些讨论可能显得过于简单，某些内容又显得过于繁缛，有很多插图，甚至会有重复内容。但这样应该会更易于读者掌握所讨论的理论和定理，我们也相信初学者会找到一些非常有用的解释、范例和反复说明。各水平层次的读者也许会发现我们设计的习题还能引发超出教学内容的思考。为了使读者对集成电路的电源完整性有更全面的认识，本书尽量把公式推导作为第一准则，并且着重于直观的理解。当然在公式推理的同时，也适时地给出一些经验解释。
作为一项研究，错误在所难免，我们虚心接受广大读者的意见；我们在书中大胆提出的一些概念尚未得到普遍认可，因此还需要读者们在自己的工作中进行充分验证。我们相信，经验丰富的工程师因为自身工作的关系，在看到书中一些新颖的想法和概念时会与我们产生共鸣，或许还会进行进一步的探索并继续推动这项研究。例如，我们将“差分电源分配法”称为“宽带”电源电压分配法。从事信号完整性分析的工程师可能会欣赏这个概念的提法，因为这与几乎已经取代“单端信号”的“差分信号传输”的概念有相似性。我们还讨论了有源噪声调制，有源噪声调制是一种通过动态改变连接电源网格的阻抗值来提高电源完整性的技术。我们信心十足地提出诸如此类的概念和方法，比如“整体集成”的概念，又比如创造性地通过动态时序分析以电源波动技术来提高电路性能的方法等，尽管这些概念和方法还没有得到足够的应用和经验性的实例来佐证。我们也期待读者和其他研究人员在阅读本书的过程中能发现这些概念是耐人寻味、富于启发性的。
本书结构
整体而言，本书可分为4个不同的部分。第一部分是第1章到第3章，介绍电源完整性的基本知识、器件持续按比例缩小给电源与电源完整性带来的挑战、电源分配的实际应用，以及整体电源完整性对芯片物理设计优化的重要作用。第二部分是第4章到第7章，着重介绍各种电源分配网络的建模、设计与分析。这些章节重点强调了抽象和基于物理层面的分析，同时也提供了大量对于传统电路和基于场解算器技术的讨论。第三部分重点叙述版布局布线和电源完整性管理的各种技术的应用。这一部分由第8、9两章构成，主要讨论了电源完整性管理最新的概念和应用。第10章通过讨论电源完整性的发展趋势及未来的挑战作为本书的结尾。下面是每个章节的简介和推荐的阅读方法。
第1章，“功率、功率传输及电源完整性”，采用物理类比的方法向读者展示了电源和电源完整性的直观理解。例如，将“力电压类比”用于已有的相关概念，把电学里的电源、电能类比为物理学中等效的物理量。初学者会感觉这一章有助于加强对电源完整性的了解，有经验的工程师则可以略过这些内容，或者也可以浏览这一章，复习并且体会一些重要的概念。
第2章和第3章是本书第一部分的重点，无论是对这一领域的初学者还是对经验丰富的设计者都适用。第2章“巨大规模集成电路及其功率挑战”，通过对比“纳米级”与之前集成电路制造工艺的差异，对CMOS电路按比例缩放和“能量延时”的基本概念进行深入的讨论。本章为介绍“整体电源完整性”奠定基础，包括芯片电源网格的电感特性，该特性与芯片功耗和性能相关。缺乏对信号传播时所产生的电磁感应的分析将会造成潜在的错误。本章还推导出“按比例缩放驱动能力”这一直接影响电源完整性和系统性能的关系。第3章“芯片的电源完整性和功率传输优化”，讨论了电源传输和集成电路的电源分配，尤其详细地介绍了“电压调制分配”与高效开关电源转换、缩放之间的关系。这些章节明确地
表明片上电磁感应对于芯片电源分配网格设计的重要性，同时提供了与电源完整性分析相结合的方法。
第4章到第7章，具体讨论了各种电源分配网络建模和分析技术，适用于本领域各个层次的读者。第4章“电源完整性预分析及抽象”，详细介绍了基于芯片和电源分配网络建模的前端分析与抽象。第5章“电源完整性分析与EMIEMC”，首先对传统的电源分配网络建模和电阻管理进行了详细的描述，讨论了建模方法和数值分析，说明了基于3D场解算器方法的重要性和准确性。这一章随后也阐述了可将这种分析方法用于研究电源完整性与芯片封装中电磁辐射这两者间的密切关系，再一次强调对电源完整性以及EMI进行全面、系统的前端分析的必要性。第6章“电源分配建模与电源完整性分析”，展示了一种由分布的RLC元件构成的建模技术可对片上电源分配进行高效、准确的分析，这一技术也被用来评估不同的降低电源噪声的方法。第7章“有效的电流密度和连续模型”，介绍了一种新型的建模方法，把一个电源分配网络的抽象转变成一个连续模型，从而大大减少了计算的复杂度。这一章提供了众多例证来说明对芯片布局规划进行抽象建模的优点，并将基于连续模型的仿真器与SPICE仿真器进行了比较。
第8章和第9章将工业界对于电源和电源完整性管理的现代化先进技术和概念，以及考虑电源完整性的布局规划加以结合。第8章着重考虑电源完整性的布局布线及芯片设计，并且讨论了电源管理技术对集成电路电源完整性的影响。第9章详细介绍了芯片级和封装级的电源完整性技术，对一些新兴技术，譬如去耦电容沟道长度设计、三井制造工艺、压控电容和有源封装等，进行了一定的探索和研究。这几个章节建议有经验的工程师仔细阅读。
第10章作为结束本书的一个简短章节，讨论了保持器件持续缩小和电子集成度持续增大的先进技术及发展趋势。在这一章中读者会看到大量的实例，展示了集成技术伴随着半导体以及封装技术的发展向3D方向发展的事实。同时对集成技术微型化和低成本的要求进行了详细说明，再次强调了目前在电源、发热和电源完整性方面所面临的诸多挑战。
辅助资料
本书附录为有较多数学运算的章节提供更为详尽的推导细节和理论分析。附录A是基于连续模型对电源网格有效电流密度的详细推导。附录B提供了对亥姆霍兹平面电路方程的推导。
书中提供的所有互联网链接地址目的是使读者能够随时获得最新的可视化仿真结果，以及在线参考文献。同样，在所有章节中的脚注是为了给读者澄清一些不常见的术语和概念。
基于连续模型，能进行芯片电源网格、电路模块仿真及电容抽象的仿真器RLCS.exe，可以从Anasim网站免费下载
件可在微软视窗下使用，安装软件中包括了它的使用手册和一些我们在第4章所提到的实例。
深入研究
第9章的参考文献清单一开头列出了这一领域的其他几部参考书籍，这些书中对印制电路板、平面电路、无源器件、传输线，以及其他一些相关电路做了精彩的论述。我们希望我们的这本书对集成电路和电源完整性技术的讨论能够成为其他同类著作的有益补充，为进一步研究先进的分析方法和电源完整性管理做好铺垫。相信我们在书中讨论的电源完整性建模及如何提高电路设计中的电源完整性分析能力，将会是纳米尺度下促使3D技术和整体集成技术持续发展的关键。我们在这里分享这项研究的成果，希望能为后来者抛砖引玉，在这一领域开展更加深入的研究。
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