物理設計

供電網路(power delivery network,PDN)

把晶片想像成一棟高層公寓,每個房間都需要滿壓的自來水,而且要同時供應。供電網路就是這套水管系統:一張金屬導線織成的網,把供電電壓(VDD)和回到地的回路(VSS)從晶片邊緣的接腳一路送到每一個標準單元,讓每個電晶體都拿到乾淨、足夠的電壓去翻轉。你在佈局規劃(floorplan)階段就要開始搭這副骨架,那時連一個邏輯單元都還沒擺下去——因為一旦核心區被單元填滿,就再也騰不出地方鋪粗壯的電源線了,就像牆砌好、房間擺滿家具之後,你沒法再補一根總水管進去。

把這套幾何結構按層想像。最底層金屬上跑著一條條細細的水平電軌(rail),正好壓在每一排標準單元的上方,VDD 與 VSS 交替排列,單元抬頭就能就近取電。這些電軌透過層層堆疊的導通孔(via)向上接到更寬、電阻更低的電帶(strap),它們位於更上層、更厚的金屬裡,以規整的網格橫跨整片晶片——縱向條帶壓在橫向條帶上,常常還在整個核心區外圍圍一圈電源環(ring)。這樣織出的是一張冗餘的網,有許多條並聯路徑,於是送往任意一個房間的電流可以同時從好幾個方向趕來,而不是順著一根又長又細的管子慢慢滲下去。

麻煩出在電阻上。每根導線都有電阻,當數百萬個單元同時從它身上抽電流,歐姆定律就發威了:真正送到遠處某個單元的電壓,會比理想值低 V = I·R 這麼一截。這一截壓降叫 IR drop(IR 壓降);如果電網太細、太稀疏,局部電壓就會跌到讓邏輯變慢、甚至無法可靠翻轉——遠端的房間拿到的是細弱的滴水,而不是滿壓。所以供電網路的設計是一場權衡:網格越密、越寬,越能壓住 IR drop 和電遷移(electromigration),但它也會把金屬繞線軌道從那些必須擠在同一片空間裡走的訊號線手中搶走。

V_drop = I_load * R_grid (Ohm's law: more current or more grid resistance => more voltage sag)

IR drop 不過是把歐姆定律用到電源網格上:一個單元實際拿到的電壓,就是 VDD 減去這一截壓降,所以低電阻的網格能把壓降壓得很小。

供電網路是故意「過度建造」的,特地留出冗餘路徑——這是晶片裡少數幾個你會刻意多鋪一些並非嚴格必需的金屬的地方,因為電源一旦「掉壓」(brown-out),就可能在你毫無察覺之間,毀掉原本完美無缺的時序。

又稱
power gridpower/ground networkPG network电源网格供电网格電源網格供電網格