一本讲透片上PDN设计的好书分享 《基于片上去耦电容的配电网络（原书第2版）》

在摩尔定律即使放缓却依然推动工艺节点向纳米级极限逼近的今天，IC设计工程师面临的挑战早已不仅仅是时序收敛或逻辑功能实现。随着供电电压不断降低而电流密度急剧攀升，电源分配网络（PDN）的稳定性成为了制约芯片性能甚至导致流片失败的关键“隐形杀手”。正是在这种对电源完整性（PI）要求近乎苛刻的背景下，《基于片上去耦电容的配电网络（原书第2版）》一书显得尤为厚重且必要。此书的中文版已由机械工业出版社组织翻译并于2014年2月出版，ISBN:9787111449294。

在现代高性能微处理器和SoC设计中，仅仅依靠封装级或板级去耦已无法满足纳秒级的瞬态电流需求。因此，书中花费了大量篇幅来探讨片上电源分配系统的阻抗特性，从最基础的电路模型出发，逐步引入了复杂的寄生参数效应。这种由浅入深的逻辑安排，使得读者能够清晰地理解为何传统的集总电路模型在GHz频率下会失效，进而意识到分布式网络模型在现代设计中的不可替代性。

然而，仅仅理解模型是远远不够的，工程实践往往需要更具操作性的指导。本书的精华部分在于它详细阐述了去耦电容的分配策略与布局优化算法。在实际设计中，片上资源寸土寸金，如何在不牺牲过多面积的前提下，将去耦电容放置在最能抑制电压波动的关键位置，是一个典型的多目标优化问题。作者不仅分析了常规的均匀放置策略，更引入了基于噪声图谱的非均匀放置方法，通过严谨的数学推导展示了如何最大化去耦效率。更有趣的是，书中还探讨了去耦电容与其他设计约束（如漏电流、静电放电ESD保护）之间的权衡，这种系统级的协同设计思维，对于那些试图打破性能瓶颈的资深工程师而言，无疑是一剂良药。

作为第2版，本书在内容的更新上也体现了与时俱进的诚意。相比于初版，新版内容显然考虑到了深亚微米及纳米工艺下的新物理效应，例如更显著的电感效应以及多层金属互连带来的复杂阻抗环境。

当然，此书并非是一本可以在闲暇午后轻松翻阅的科普读物，书中充斥着大量的电路方程、传递函数推导以及复杂的阻抗分析。对于数学基础薄弱或者缺乏模拟电路背景知识的数字后端工程师来说，阅读过程可能会稍显枯燥甚至艰难。此外，书中的案例多偏向于理论模型和算法验证，虽然具备极高的学术价值和指导意义，但如果读者期望看到具体某款EDA工具的“傻瓜式”操作流程，可能会略感失望。这原本就不是一本工具说明书，而是一本旨在建立深刻物理直觉和底层方法论的教科书。

正因如此，这本书最适合的受众是那些致力于解决高端芯片电源噪声问题的PI工程师、模拟IC设计专家以及相关领域的研究生。

图书目录

原书第1版前言
关于作者
第1部分一般性背景
第1章概述
1.1集成电路技术的发展
1.2设计目标的发展
1.3配电的问题
1.4配电噪声的不利影响
1.4.1信号延时的不确定性
1.4.2片上时钟抖动
1.4.3噪声裕度降低
1.4.4栅氧化层可靠性的降低
1.5小结

第2章电路的感性特性
2.1电感的定义
2.1.1场能量的定义
2.1.2磁通量的定义
2.1.3局部电感
2.1.4网电感
2.2电感随频率的变化
2.2.1均匀电路密度假定
2.2.2电感变化机制
2.2.3电路简化模型
2.3电路的感性行为
2.4片上互连线的电感特性
2.5小结

第3章片上感性电流回路的特性
3.1简介
3.2电感与线长的关系
3.3两个并行回路段的感性耦合
3.4电路分析的应用
3.5小结

第4章电迁移
4.1电迁移的物理机制
4.2电迁移引起的机械应力
4.3电迁移损害的稳态限制
4.4电迁移寿命与互连线尺寸的关系
4.5电迁移寿命的统计分布
4.6在交流电流下的电迁移寿命
4.7铝和铜互连工艺的比较
4.8电迁移可靠性设计
4.9小结

第5章去耦电容
5.1去耦电容简介
5.1.1历史回顾
5.1.2去耦电容当作电荷的蓄水池
5.1.3去耦电容的现实模型
5.2带去耦电容的配电网络的阻抗
5.2.1配电系统的目标阻抗
5.2.2反共振
5.2.3去耦电容结构化分布的水力学类比
5.3固有和策划的片上去耦电容
5.3.1固有去耦电容
5.3.2策划去耦电容
5.4片上去耦电容的类型
5.4.1pip电容
5.4.2mos电容
5.4.3mim电容
5.4.4侧面通量电容
5.4.5不同片上去耦电容的对比
5.5片上开关稳压器
5.6小结

第6章片上电源分配噪声的缩减趋势
6.1缩减模型
6.2互连特性
6.2.1全局互连特性
6.2.2网格电感的缩减
6.2.3倒装芯片封装特性
6.2.4片上电容的影响
6.3电源噪声模型
6.4电源噪声缩减
6.4.1恒定金属厚度方案分析
6.4.2缩减金属厚度方案分析
6.4.3电源噪声的itrs缩减
6.5噪声缩减的含义
6.6小结

第7章第1部分小结
第2部分电源系统设计

第8章高性能配电系统
8.1配电网络的物理结构
8.2配电系统的电路模型
8.3配电系统的输出阻抗
8.4带有一个去耦电容的配电系统
8.4.1阻抗特性
8.4.2单层去耦方案的局限
8.5去耦电容的层次化布局
8.6配电网络中的谐振
8.7全阻抗补偿
8.8实例分析
8.9设计依据
8.9.1去耦电容器电感
8.9.2互连线电感
8.10一维电路模型的局限性
8.11小结

第9章片上配电网络
9.1片上配电网络的类型
9.1.1片上配电网络的基本结构
9.1.2提高片上配电网络的阻抗特性
9.1.3阿尔法微处理器中配电网络的演化史
9.2裸片封装接口
9.3其他考虑
9.4小结

第10章计算机辅助设计与分析
10.1片上配电网络的设计流程
10.2配电网络的线性分析
10.3配电网络的建模
10.4表征片上电路的电源电流需求
10.5配电网络分析的计算方法
10.6片上去耦电容器的分配
10.6.1基于电荷的分配方法
10.6.2基于过噪声幅度的分配策略
10.6.3基于过电荷的分配策略
10.7小结

第11章快速电压降分析的闭式表达式
11.1fair的背景
11.2对电压降分析的解析
11.2.1单电源和单电流负载
11.2.2单电源和多电流负载
11.2.3多电源和单电流负载
11.2.4多电源和多电流负载
11.3电源网格分析的局部性
11.3.1电源网格中的空间局部性原理
11.3.2空间局部性对计算复杂度的影响
11.3.3在fair中利用空间局部性
11.3.4误差修正窗
11.4实验结果
11.5小结

第12章第2部分小结
第3部分配电网络中的噪声

第13章片上配电网格的电感特性
13.1输电电路
13.2仿真设定
13.3网格类型
13.4电感与线宽的关系
13.5网格类型对电感的影响
13.5.1非交叉指型网格与交叉指型网格的比较
13.5.2配对型网格与交叉指型网格的比较
13.6影响电感的网格尺寸
13.6.1影响电感的网格宽度
13.6.2影响电感的网格长度
13.6.3电网的方块电感
13.6.4网格电感的高效计算方法
13.7小结

第14章网格电感随频率的变化特性
14.1分析步骤
14.2电感变化特性的探讨
14.2.1电路模型
14.2.2对电感变化特性的分析
14.3小结

第15章电感、面积和电阻之间的折衷
15.1在网格面积不变的约束下电感与电阻的折衷
15.2在网格电阻不变的约束下电感与面积的折衷
15.3小结

第16章交叉指型电源/地分布网络的电感模型
16.14对型基本结构
16.2含有大量交叉指对的电源/地分布网络
16.3比较与讨论
16.4小结

第17章片上电源噪声抑制技术
17.1添加片上低噪声地来抑制地噪声
17.2决定地弹抑制的系统参数
17.2.1噪声电路和噪声敏感电路之间的物理距离
17.2.2频率和电容的变化
17.2.3额外接地通路的阻抗
17.3小结

第18章片上配电网络中噪声的影响
18.1芯片封装共振中的尺度效应
18.2配电噪声的传播
18.3局部电感特性
18.4小结

第19章第3部分小结

第4部分片上去耦电容器的布局
第20章片上去耦电容器的有效半径
20.1背景
20.2基于目标阻抗的片上去耦电容器有效半径
20.3估算所需的片上去耦电容值
20.3.1电阻性噪声主导
20.3.2电感性噪声主导
20.3.3连线的临界长度
20.4由充电时间决定的有效半径
20.5针对片上去耦电容器布局的设计方法
20.6片上配电网络模型
20.7实例分析
20.8设计意义
20.9小结

第21章分布式片上去耦电容器的有效布局
21.1工艺约束
21.2在纳米级ic中片上去耦电容器的布局
21.3分布式片上去耦电容网络的设计
21.4分布式片上去耦电容网络中的设计折衷
21.4.1关于r1系统参数的决定因素
21.4.2c1*小值
21.4.3片上去耦电容总预算的*小值
21.5分布式片上去耦电容器系统的设计方法
21.6实例分析
21.7小结

第22章分布式片上电源和去耦电容器的协同设计
22.1问题的出现
22.2电源和去耦电容器的协同布局
22.3实例分析
22.4小结

第23章第4部分小结

第5部分多层配电网络
第24章多层电网的阻抗特性
24.1多层网格的电气特性
24.1.1单层网格的阻抗特性
24.1.2多层网格的阻抗特性
24.2双层网格的实例研究
24.2.1仿真设置
24.2.2网格层之间的电感耦合
24.2.3双层网格的电感参数
24.2.4双层网格的电阻参数
24.2.5在双层网格中阻抗随频率的变化量
24.3设计意义
24.4小结

第25章多层交叉指型配电网络
25.1单金属层特性
25.1.1使阻抗*小的*优宽度
25.1.2*优线宽的特性
25.2多层优化
25.2.1**种方案——等电流密度
25.2.2第二种方案——*小阻抗
25.3探讨
25.3.1比较
25.3.2布通率
25.3.3忠实度
25.3.4临界频率
25.4小结

第26章第5部分小结

第6部分多电压电源网络系统
第27章多片上电源系统
27.1多电源电压ic
27.1.1多电源电压技术
27.1.2cvs
27.1.3ecvs
27.2多电源电压ic的挑战
27.2.1芯片面积
27.2.2功耗
27.2.3设计复杂度
27.2.4布局和布线
27.3有效电源电压的*佳数目和量值
27.4小结

第28章多供电电压的片上配电网格
28.1背景
28.2仿真建立
28.3双电压双地配电网格
28.4dsdg交叉指型网格
28.4.1i型dsdg交叉指型网格
28.4.2ii型dsdg交叉指型网格
28.5dsdg配对网格
28.5.1i型dsdg配对网格
28.5.2ii型dsdg配对网格
28.6仿真结果
28.6.1无去耦电容的交叉指型配电网格
28.6.2无去耦电容的配对配电网格
28.6.3具有去耦电容的配电网格
28.6.4电源噪声随电流负载开关频率变化的关系
28.7设计意义
28.8小结

第29章多电压配电系统的去耦电容
29.1配电系统的阻抗
29.1.1配电系统的阻抗介绍
29.1.2并联电容的反共振
29.1.3配电系统参数对阻抗的影响
29.2配电系统阻抗的实例研究
29.3配电系统的电压传输函数
29.3.1配电系统的电压传输函数介绍
29.3.2电压传输函数随配电系统参数变化的关系
29.4配电系统电压响应的实例研究
29.4.1电压传输函数的无过冲值
29.4.2值和频率范围间的折衷
29.5小结

第30章第6部分小结

第7部分综述与附加材料
结束语
附录
附录a交叉指型p/g网络初始*佳宽度的估计
附录b多层交叉指型配电网络的首要优化方法
附录c多层交叉指型配电网络的次要优化方法
附录ddsdg完全交叉指型配电网格的回路互感
附录edsdg伪交叉指型配电网格的回路互感
附录fdsdg完全配对配电网格的回路互感
附录gdsdg伪配对配电网格的回路互感
参考文献

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