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电源完整性概述 电源完整性（PI）是指电源波形的质量，研究的是电源分配网络（Power Distribution Network，简称PDN），并从系统供电网络综合考虑，消除或者减弱噪声对电源的影响。电源完整性的设计目标是把电源噪声控制在一个很小的容差范围内（如+/-2.5%），实时响应负载对电流的快速变化，从而为芯片提供干净稳定的电压，以及为其他信号提供低阻抗的回流路径。总之，良好的PDN设计能够使系统运行地更稳定。 随着芯片的门电路数量的增加、翻转速率的增高，电源完整性的设计，面临着非常大的挑战。主要表现在以下两个个方面： 1.芯片功耗不断增大、电源电流不断的提升：大型的CPU、FPGA、AI芯片的内核电压，最大电流甚至超过100A。 2.芯片工艺提升，导致电源电压不断降低：内核电源的电压从之前的1.2V降低到1.0V、0.9V、0.8V甚至更低的0.75V。 PDN可以说是一个系统中最复杂的互连结构，它包含从供电芯片（VRM）到负载芯片（IC）的互联网络及其上的所有器件（电容、Package电容、VRM和Chip）。 从另一方面也可以说系统中的所有元件都直接或间接地被连接到电源网络上。这就使得电源完整性设计不在是一个单纯的芯片供电问题，而是影响系统性能的重要因素。电源完整性（PI）设计需要满足三大目标： 1.为芯片提供稳定的供电； 2.为信号提供低阻抗、低噪声的参考回路。随着速率的提高一些接口必须进行SI－PI协调仿真分析，才能sign-off。 3.避免EMI辐射，电源噪声也是重要的EMI辐射源，设计不好会产生EMI问题。 电源的分类 IO电源为芯片间的接口信号传输提供电荷，而Core电源为芯片内部处理器指令的执行提供电荷。两种电源的设计都会对信号的传输产生影响，在研究PDN系统时我们不能将其同信号的传输过程孤立开来，必须结合信号传输的过程来分析PDN系统的作用。 IO和内核两种电源之间的区别我们可以简单的这样理解：对于IO电路其驱动器和接受器分别在两个芯片上（如下图所示），其信号通过PCB布线进行连接，此时PCB板上的PDN系统（IO电源）的作用不仅为驱动电路和接收电路供电，而且还作为驱动器和接受器之间信号传输的返回路径。由于驱动和接收位于不同的芯片上，封装电感的存在会让PDN的作用更加明显。 对于内核电路其驱动电路和接收电路均在一个芯片内部，由于尺寸很小、寄生电感也很小。芯片外部PCB上的内核电源供电的作用主要就是为驱动器和接收器提供稳定的供电，即使作为信号的返回路径，由于尺寸太小也几乎没有体现传输线效应对内核电路的数据传输并不会产生太大影响。 但另一方面，处理器的内核一般工作频率都会比较高，因此电源问题往往会更加棘手： 1.IO电源问题只是影响到信号质量，这些都是我们能够通过仿真预测或测试仪器进行测量，而内核的电源问题往往会影响处理器指令的执行导致芯片工作异常，定位问题的手段就不如IO信号那么多了。 2.内核电源的电流往往非常大，一些大算力的AI芯片、FPGA、CPU等，内核电源动不动就需几十A上百A的电流，这就需要PDN的阻抗作的非常低、对电源噪声的需求提出了更高的要求。 3.内核电源的电流具有很大的不确定性，对于一个处理器芯片它采用的算法不同、应用场景不同，都可能导致其电流特性不同。如何设计PDN保障所有场景的稳定工作是一个非常大的挑战。 电源传输中的问题 对于core电源由于驱动和接收都在芯片内部我们研究的手段有限，因此这里以IO电源为例来看电源传输过程中都会引起哪些问题。 下图给出了一个由反相器构成的驱动器经由互连线路到接收器的简化电路，以此为例可以说明IO电源在信号传输过程中所起到的作用。Vdd和Gnd作为电源地平面连接了驱动器和接收器的电源供给。栅极连接点称为输入节点，漏极连接点称为输出节点。输出节点连接到下一级晶体管电路的输入节点上。输出高电平时驱动器上管导通，电源平面通过上管和传输线对接收器栅极电容器进行充电；驱动器输出低电平时驱动器下管导通由接收器的栅极电容通过传输线和驱动器下管向地平面进行放电。IO电路必须连接到供电电路上(如 VDD 与 GND 终端)，以便能对集成电路的电容器节点进行充电和放电。由此可以看出信号的传输过程和PDN系统密切相关，并不仅仅依靠驱动器和接收器之间的互连线，需要不停的从电源平面获得电荷并向地平面释放电荷。而无论是从电源平面获得电流还是向地平面释放电流都会反过来在电源地平面（PDN系统上）产生电压波动，同时PDN系统上的电源波动也会影响信号的传输过程。 供电电源输出需要通过PDN网络和用电IC建立连接关系。而PDN网络通常都会有不同程度的电阻、电感特性，使得流过PDN网络的电流在 IC 的Vdd和Gnd端会表现出DC压降和AC时变电压波动问题。这对芯片中的晶体管电路