Варианты распределенной сети питания для многоядерных микропроцессоров

Публикации

Современные многоядерные микропроцессоры с предельной производительностью имеют потребляемую мощность более 120 Вт. Согласно дорожной карте развития полупроводниковых технологий потребляемая мощность и ток потребления микропроцессоров стационарного применения будут нелинейно расти несмотря на развитие технологий энергосбережения [1]. При изменении большого тока потребления в зависимости от динамики вычислений возможно недопустимое изменение номинала питания, пропорциональное сопротивлению нагрузки. Степень проявления этого процесса связывается с понятием целевого импеданса. Целевой импеданс распределенной сети питания ядра микропроцессора определяется отношением 5-процентного отклонения напряжения от номинала питания V к изменению тока, равного половине максимального тока потребления I:

Сложность построения распределенной сети питания (PDN – power distribution network) микросхемы с таким высоким энергопотреблением определяется тем, что необходимо не превысить требуемый целевой импеданс в широком диапазоне частот. Для микропроцессора с напряжением питания ядра 0,9 В и максимальным током потребления 120 А целевой импеданс равен 0,75 мОм.

При создании оптимальной распределенной сети питания микропроцессора необходимо учитывать несколько диапазонов частот, в каждом из которых в составе сети используются развязывающие конденсаторы (рис. 1а). В тех диапазонах, где конденсаторы эффективны, целевой импеданс имеет минимумы, а в распределенной сети отсутствует реактивное сопротивление [2]. В то же время из-за технологических и конструктивных ограничений введение конденсаторов для всего диапазона частот нецелесообразно, а иногда просто невозможно. В результате образуются частные диапазоны 1–3, в которых может иметь место значительное падение напряжения из-за превышения целевого импеданса. Для их анализа целесообразно рассмотреть контуры общей схемы сети питания. На рис. 1б представлены высокочастотный и среднечастотный контуры, в каждом из которых учитываются соответствующая его частоте емкость и эквивалентная последовательная индуктивность конденсаторов низкочастотного диапазона.

Наиболее высокочастотные конденсаторы расположены на кристалле и эффективны в диапазоне от 100 МГц. Для кристалла, изготовленного по технологии 65 нм и площадью 400 мм2, оценка суммарной емкости этих конденсаторов равна 1 мкФ. Высокочастотные конденсаторы корпуса микросхемы и зоны непосредственной близости от нее эффективны в диапазоне от 1 МГц до 60 МГц. Среднечастотные конденсаторы на плате эффективны в диапазоне от 1 МГц до 10 МГц. Конденсаторы в составе источников питания или большой емкости являются низкочастотными и эффективны в диапазоне от 1 кГц до 1 МГц.

Одним из путей улучшения распределенной сети питания является введение как можно большего числа уровней конденсаторов для различных диапазонов частот. Однако на практике реализация такого подхода связана с большими трудностями. Поскольку для будущих поколений микропроцессоров прогнозируется лишь понижение целевого импеданса, необходимо учитывать процессы в представленных частотных контурах при толчке тока потребления.

Подробнее… Загрузить файл (doc.)

Содержание:

Введение
1. Процессы в частотных контурах
2. Паразитная индуктивность конденсаторов
3. Реализация микропроцессоров в корпусах BGA и LGA
Заключение
Литература