线性稳压器：工作原理极其补偿

关于纳米级处理器和其它超大规模集成电路的有效功耗和电源完善管理的文献已经有好多了。在使用90纳米及以下的先进工艺生产的器件中，电源噪声增益的显著下降导致了无法被传统的查实和确认方法测量的电量损失和定时问题。在低压电源的前提下提升电流密度与供电电路的阻抗相结合产生的芯片内外电源的巨大变化在[1]中被称为电压消沉。虽然在半导体器件的微缩进程中，可以通过进一步降低供电电压来减少静态和动态功耗，但之前的因素使它变得更难。同时器件在更低尺寸的纳米级工艺（90纳米及以下）下呈现出非常大的器件不一致性，这就需要做一些特别的设计来补偿。因此，传统的工艺－电压－温度（process-voltage-temperature，PVT）确认方法（过去，这种方法会产生大约10％的供电电压不一致性）很快向更严格的电压控制和更低的电压变化容限的方向发展。在纳米技术时代（100nm到1nm）的芯片中，这种趋势需要把芯片DC（静态）和AC（动态）噪声限制在很窄的5％的供电变化范围之内。

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