Варианты распределенной сети питания для многоядерных микропроцессоров

Размещено на http: //www. allbest. ru/

ОАО «ИНЭУМ им.И.С.Брука», ЗАО «МЦСТ»

Варианты распределенной сети питания для многоядерных микропроцессоров

К.т.н. И.Н. Бычков, д.т.н., проф. Ю.С. Рябцев, С.В. Юрлин

Аннотация

микропроцессор индуктивность конденсатор напряжение

Рассмотрены процессы в распределённой сети питания микропроцессора с общим потреблением более 100 Вт. Предложена методика учета индуктивностей развязывающих конденсаторов. Проведена сравнительная оценка падений напряжения питания ядра в распределённой сети питания для вариантов микропроцессоров в корпусе BGA и в корпусе LGA.

Ключевые слова: распределенная сеть питания, проектирование интегральных схем (ИС), проектирование многослойных печатных плат (МПП), падение напряжения.

Annotation

DESIGN VARIANTS OF POWER DISTRIBUTION NETWORK FOR MULTICORE MICROPROCESSOR

I. Bychkov, Y. Ryabtsev, S. Yurlin

This paper describes processes in microprocessor's power distributed network (PDN) with total power consumption more than 100 W. It proposes the methods of parasitic inductance estimation for decoupling capacitors. Comparative values of core voltage drop are presented for microprocessors in BGA and LGA package.

Keywords: power distribution network, IC package and PCB design, voltage drop.

Введение

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.

Рис. 1 Распределенная сеть питания (а - импеданс на разных частотах; б - общая схема сети питания)

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.

1. Процессы в частотных контурах

Если конденсаторы каждого частотного контура заряжены, то падение напряжения V при меняющемся токе потребления I определяется характеристическим импедансом контура, который зависит от общей индуктивности LK и емкости CK контура:

;

.

В случае высокочастотного диапазона 1 происходит падение напряжения V из-за самоиндукции контура с общей индуктивностью LK при толчке тока потребления dI/dt:

.

Толчок тока микропроцессора с тактовой частотой 1,8 ГГц вследствие выхода из спящего режима может достигать 2 А/нс, хотя типичные толчки тока в полностью активном состоянии составляют 0,5 А/нс [3]. При допустимом уровне отклонения напряжения в 50 мВ оценка требуемой индуктивности для толчков в 2 A/нс и 0,5 А/нс будет соответственно 25 пГн и 100 пГн. Такое значение индуктивности достигается при использовании менее десятка встроенных конденсаторов в подложке корпуса, а также при установке в корпус микросхемы многовыводных конденсаторов LICA® (Low Inductance Capacitor Array) [4]. Также необходимо отметить, что для достижения целевого импеданса в 0,75 мОм в высокочастотном диапазоне 1 необходимо использовать несколько десятков широко распространенных в применении конденсаторов MLCC (Multilayer Ceramic Capacitor) или менее десяти конденсаторов типа LICA® с индуктивностью каждого встроенного конденсатора до 100 пГн.

Эффективный диапазон частот для контура определяется около резонансной частоты:

.

Время заряда или разряда конденсаторов контура меньше периода резонансных колебаний и для керамических конденсаторов равно примерно четверти периода. При заряде или разряде конденсаторов электрическим зарядом QK происходит скачок или падение напряжения V в зависимости от емкости контура CK:

.

Рис. 2 Процессы в распределенной сети питания

Типичные процессы для контуров распределенной сети питания представлены на рис. 2. Можно выделить четыре разнесенных во времени основных процесса 1-4, для которых согласно вышеуказанной формуле можно провести оценку падений напряжения V1, V2, V3, V4.

Недостатком этих оценок является отсутствие учета отклонений характеристик конденсаторов в зависимости от температуры и напряжения [5]. Кроме того, в них не учитывается эквивалентное последовательное сопротивление контура. При количестве конденсаторов в контуре более тридцати этим сопротивлением можно пренебречь и упростить расчеты.

2. Паразитная индуктивность конденсаторов

Индуктивность встраиваемого конденсатора в составе контура LВС состоит из его собственной индуктивности и индуктивности подключения

.

Эмпирическая формула для определения собственной индуктивности широко распространенных MLCC конденсаторов представлена в [6]:

,

где l и w - параметры длины и ширины конденсатора соответственно.

В табл. 1 приведен расчет собственной индуктивности (согласно приведенной формуле) при размерах конденсаторов, наиболее подходящих для эффективного применения в высокочастотном диапазоне.

Таблица 1 Собственная индуктивность керамических конденсаторов

Индуктивность подключения конденсатора состоит из индуктивности переходных отверстий и индуктивности слоев земли и питания до соответствующих выводов микросхемы

.3

Формулы для расчета этих индуктивностей приведены в [7]:

,

,

где 2 - константа, равная 2·10-7 Гн/м, а другие параметры представлены на рис. 3.

В случае многослойной печатной платы модуля, представленной на рис. 3, индуктивность подключения конденсатора высокочастотного контура `B' равна 1,98 нГн. Для конденсатора среднечастотного контура индуктивность подключения в точке `А' равна 0,34 нГн, т.е. сумме индуктивностей отверстий 0,14 нГн и слоев питания 0,2 нГн.

Рис. 3 Подключение конденсаторов рядом с микропроцессором (Lподкл - индуктивность подключения до области `Х'; hA и hВ - параметр h для конденсаторов `А' и `В' соответственно)

Высокочастотные конденсаторы в корпусе микросхемы микропроцессора типа FC (Flip-Chip) могут быть расположены со стороны установки кристалла в непосредственной близости от него, а также на противоположной по отношению к кристаллу стороне коммутационной платы корпуса. Значительное влияние на индуктивность их подключения оказывает структура слоев коммутационной платы. На рис. 4 представлены широко распространенная полимерная структура производства фирмы ASE (Тайвань) и структура из керамики производства фирмы Kyocera (Япония). Отличительной особенностью первой структуры является наличие слоя жесткости толщиною не менее 400 мкм. Во второй структуре такой слой жесткости отсутствует. Таким образом, структура слоев коммутационной платы корпуса может быть однородной в случае применения керамики или неоднородной в случае полимерных материалов. В табл. 2 представлен расчет индуктивности подключения конденсатора размера 0402 со стороны установки кристалла на расстоянии 4 мм от него. Расчет проведен по ранее представленным формулам для наиболее распространенных технологических процессов изготовления коммутационных плат.

Рис. 4 Поперечный разрез двух типов коммутационных плат корпуса

Таблица 2 Параметры коммутационных плат и индуктивность подключения

У полимерной коммутационной платы корпуса число слоев металлизации ограниченно десятью (4-2-4), поэтому без выделенного в корпусе сектора под землю и питания ядра микропроцессора практически невозможно обеспечить подключение конденсатора через короткие слепые переходные отверстия (hA менее 100 мкм). В случае керамической коммутационной платы корпуса количество слоев не ограничено, поэтому нет затруднений при выделении слоев для минимальной индуктивности подключения.

3. Реализация микропроцессоров в корпусах BGA и LGA

Для высокочастотной части распределенной сети питания микропроцессора в корпусе BGA (Ball Grid Array) возможно наличие всего двух уровней конденсаторов, как это показано на рис. 5. Количество конденсаторов первого уровня ограничено зоной вне заполнителя и клея для теплораспределителя. Количество конденсаторов второго уровня ограничено зоной сквозных переходных отверстий печатной платы для подключения выводов земли и питания.

Рис. 5 Конденсаторы и конструкция микросхемы с корпусом HFC BGA

Подключение конденсаторов первого уровня выполнено через объемные выводы диаметром 150 мкм, конденсаторов второго уровня - через объемные выводы и шариковые выводы корпуса диаметром 500 мкм. Типичные паразитные индуктивности объемного вывода и вывода корпуса равны соответственно 0,16 нГн и 0,2 нГн. Поскольку объемных выводов у современных микропроцессоров более пяти тысяч, а выводов корпуса менее двухсот, то для оценки процессов в распределенной сети питания достаточно учитывать лишь паразитную индуктивность выводов корпуса.

Для оценки падений напряжения из-за различных процессов в распределённой сети питания рассмотрен вариант многоядерного микропроцессора с архитектурой «Эльбрус» в корпусе типа BGA. На первом уровне полимерной коммутационной платы корпуса с подключением к слоям 3-4 устанавливается 30 конденсаторов размера 0102 и емкостью 1 мкФ. На втором уровне устанавливается 100 конденсаторов размера 0402 и емкостью 2,2 мкФ. Подключение конденсаторов второго уровня представлено на рис. 3 в точке `В'. Общее число высокочастотных конденсаторов равно 130. Опыт разработки многоядерных микропроцессоров показывает, что для габаритов микросхемы микропроцессора порядка 55 см такое количество конденсаторов на каждом уровне близко к максимальному значению.

При применении корпуса LGA (Land Grid Array) возможны четыре уровня конденсаторов, как это показано на рис. 6. Площади под кристаллом многоядерного микропроцессора достаточно для размещения необходимых конденсаторов второго уровня. Основным недостатком рассматриваемой конструкции является индуктивность сокета, которая не превышает 4 нГн на контакт или 0,05 нГн на 150 пар выводов земли и питания.

Рис. 6 Конденсаторы и конструкция микросхемы с корпусом HFC LGA

Для оценки падений напряжения из-за различных процессов в распределённой сети питания рассмотрен многоядерный микропроцессор Intel® Xeon® Processor E5-1600 в корпусе типа LGA. В этом случае на первом уровне полимерной коммутационной платы корпуса с подключением к слоям 3-4 устанавливается 22 конденсатора размера 0402 и емкостью 1 мкФ. На втором уровне с аналогичным подключением устанавливается 84 конденсатора размера 0402 с емкостью 1,2 мкФ, а также 9 конденсаторов размера 0805 с емкостью 10 мкФ. Общее число высокочастотных конденсаторов равно 115.

В качестве среднечастотных конденсаторов распределенной сети питания у рассмотренных вариантов микропроцессоров в корпусах LGA и BGA используются 45 конденсаторов размера 0805 и емкостью 22 мкФ. Подключение этих конденсаторов для варианта в корпусе BGA представлено на рис. 3 в точке `А' и равно 0,34 нГн. Аналогично подключение среднечастотных конденсаторов для варианта в корпусе LGA, при котором не учитывается индуктивность слоев питания. Оценка падений напряжения для рассмотренных процессов в распределенной сети питания при толчке тока 1 А/нс представлена в табл. 3.

Таблица 3 Оценка падений напряжения в распределенной сети питания

Заключение

В работе представлен анализ использования конденсаторов для реализации высокочастотного и среднечастотного контуров распределенной сети питания микропроцессора. Рассмотрена методика оценки падений напряжения из-за процессов в распределенной сети питания. Методика учитывает паразитную индуктивность конденсаторов при различных конструкторских и технологических ограничениях. В варианте микропроцессора с корпусом типа LGA эти процессы приводят к меньшему падению напряжения в отличие от варианта с корпусом BGA.

Размещение большего количества конденсаторов первого уровня в корпусе BGA для питания ядра является существенным ограничением для установки конденсаторов на другие номиналы питания. Характеристики у конденсаторов меньшего размера имеют больший разброс в зависимости от температуры и меньший допуск на превышение номинала питания. Эти недостатки при реализации высокочастотного контура приводят к выводу о невозможности уменьшения падений напряжения.

Литература

1. International Technology Roadmap for Semiconductors System Drivers 2011 Edition // URL: http://www.itrs.net/Links/2011ITRS/2011Chapters/2011SysDrivers.pdf. Дата обращения 21.12.2012.

2. Kim J, Songping Wu, Hanfeng Wang, Takita Y, Takeuchi H, Araki K, Gang Feng, Jun Fan. Improved Target Impedance and IC Transient Current Measurement for Power Distribution Network Design // Electromagnetic Compatibility (EMC), Electromagnetic Compatibility (EMC), IEEE International Symposium, 25-30 July 2010, Conference Publications, pp. 445-450.

3. Luo J, Batarseh I, Gao X.F, Wu T. Transient current compensation for low-voltage high-current voltage regulator modules // Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2002, Vol. 1, pp 223-228.

4. Cantlebary J. LICA (Low Inductance Capacitor Array) flip-chip application notes // URL: http://www.avx.com/docs/techinfo/flipchip.pdf. Дата обращения 21.12.2012.

5. Novak I, Williams K. B, Miller Jason R., Blando G, Shannon N. DC and AC Bias Dependence of Capacitors // DesignCon2011, Santa Clara, CA, January 31 - February 3, 2011.

6. Cain J. Parasitic Inductance of Multilayer Ceramic Capacitors // URL: www.avx.com/docs/techinfo/parasitc.pdf. Дата обращения 21.12.2012.

7. Johnson H. Parasitic Inductance of Bypass Capacitors // EDN magazine, July 2000.

Размещено на Allbest.ru