线性稳压器：工作原理极其补偿

传统的最小化供电噪声的技术，例如电压定位和芯片退耦电容的集成越来越难满足电源完善性的需求。通常GHz级处理器使用电压定位技术减小供电噪声，但是电压调整模块无论从物理角度还是电学角度都远不能满足它的供电带宽的需要。由于在100纳米以下的工艺中，栅极漏电流成指数上升，芯片退耦电容也不是一个降低动态噪声的好方案。储存在这些集成电容里的能量也随着供电电压而成平方级下降。另外，在生产制造中，类似于封装电容环形电感和输电线的串联电阻这样的封装过滤元件参数将成指数增长。[1、Power Delivery section]。在本文中，我们将介绍主动噪声调整（ANR）和主动VLSI封装（AVP）。这些方法具有以下优点：接近于负载元件；随电压而成平方级增长的电容储能以便于在需要的位置配置稳定的电荷池――近似于高电流密度和高速暂态负载。

确保技术效能的一个关键要求就是对高性能ULSI元件电源格的动态噪声行为的准确的理解。用来分析多重芯片电源格的完整堆栈、分布式负载、漏电流、退耦电容、封装格、外部连接性和封装元件的工具对这种理解显得有些牵强。这种工具可以把整个系统的噪声的空间和时间变化形象化，也给设计者提供了详细的芯片动态噪声和临界路径活动的互动信息。另外，这些工具还提供了一个ANR和其它有源/无源封装元件的噪声最小化冲突的动态信息。为了谨慎地设计布局和ANR开启时序、无源退耦罩和其它单芯或多芯系统元件，它们提供了设计方法。真正的动态噪声分析需要有对一个电源格（包括电源所有部分的电源环状电感、芯片内外驻波谐振器和电阻能耗在内）的所有关键元素建模的能力。本文作者经常使用用于高性能系统的动态噪声精密分析的PowerESL工具。

主动噪声调整主动噪声调整是一个无损技术，它可以给出高性能ULSI系统和元件（如微处理器、SoCs、SiPs和多核）的电源完善性信息。在保证性能的前提下，高性能高能耗器件在运行过程中频繁转换工作状态以降低功耗。当有应用程序运行在处理器上的时候，高性能器件的工作状态就会转换，而这些转换可能产生对电流需求的巨大变化，这样就可能在排空高带宽负载附近存储的电荷的同时引起输电网络共振。主动噪声调整通过对负载元件电源格快速的可控的本地充电来察觉这个问题。图1显示一个嵌入的ANR元件就好像一个FET转换器件。ANR与一个作为电荷池的电容相连，这个电容的充电过程有两个途径：通过连有外部高压电源的电源线或者由系统设计决定的电荷泵来填充。这样就可以通过一个电荷池给ANR提供高于工作过程中的负载很多倍的电荷。

图一：ANR元件嵌入图（专利申请中）

在本文中，我们要讨论并展示在一个高性能芯片电源格中ANR的影响。ANR（或者ANR阵列）通过图6中很短的导线连接到负载元件。因此ANR就可以完全掌握负载供电的空间和时间变化。当ANR侦测到（或者被告知）在所连接的负载元件供电格点或格区中发生了变化（称为电压消沉事件）时，它就会初始化从电荷池到负载电源格的补偿电流。经过一个短暂周期的强电流，ANR通过一个可控方式把它切断，使电荷池重新充满为其它的暂态事件做好准备。

图2显示了一个高速系统中的ANR的模拟应用结果，该系统中的负载1和负载2电流同图1。动画显示了系统输电堆栈对供电状态变换的响应。这个模拟通过模拟芯片格和输电系统所有元件的一个分布式模型实现。不同的格间供电电压引起了不同的向下的偏移，这些偏移被称作“消沉”。这些消沉降低了芯片区域的的供电能力并阻碍了芯片工作频率该完成的功能。

图2：在一个高速系统中使用ANR的分布式模型的模拟结果。曲面显示了芯片表面所有点的供电变化Δ（Vdd－Vss）。这个模型包括了一个计算格导线电势变化的电场解。这个工具还计算了电介质中的电压变化。在一个标准单核工作站（包含ANR功能）上运行一个6ns、15个时钟周期的模拟需要大概10分钟左右的时间。

曲面右侧的负载工作于没有ANR的状态，而左侧的负载显示了包含ANR功能以后对于同样的负载电流的格响应。我们可以看到：在ANR开启以后，电压消沉或减低性能的噪声显著地减弱了。

图3显示了在芯片格接近两个负载中心位置的供电电压。

图3：在芯片表面包含与未包含ANR的负载电流引起的供电噪声。当节电状态变化时，功能块被打开或关闭，这时，设备通过ANR的过滤器调整到更低频率的系统级暂态。高频噪声也显著降低。

从这些结果来看，很显然，ANR对控制低频系统级暂态特别有效。当检测到消沉的时候，ANR可以同样有效地检测到过充。低频消沉和过充与供电电路电感与封装和系统板电容有关，在高速系统里常常是影响性能的最重要的噪声元件。ANR可以被用于降低各种频率的噪声幅。它们也可以修改频谱以便把供电噪声移动到系统共振频率以外。这个移动的效果如图4。图4还显示了沿着两条长导线的噪声传播。a曲线被连到ANR电路附近的封装格，b曲线位于没有ANR的负载附近。ANR引起的频率移动和对应的波长减小对系统的噪声都有明显的影响。

图4：沿着两条导线的分布式Vdd和Vss供电变化。该模拟包含了一个连接到芯片场解的对称导线对的列表。ANR通过减弱临近导体的共振来改变噪声频谱。

动态噪声取决于漏电流和电压

电源噪声的频谱构成的考量对寻求系统中的速度和功耗的平衡点很重要。图5中是一个简化了的系统功耗格模型。

图5：简化的功耗格模型

在这个模型中，负载端压降由下式给出：

一般来说，负载电流（I）是供电噪声的非线性函数，并且(3)只有数字解。然而，我们可以看到一些对负载电流使用近静态近似的典型的功耗格性能的原委。例如，今天的先进工艺相对于过去有着更高的静态漏电流。动态压降提供了一个可以降低总体噪声级别的负反馈，漏电流也随之迅速下降。对系统负载电流做一次近似（三极管漏电流随供电电压线性增长）：

这样一个大静态漏电流使系统噪声整