基于埋入式电源轨与微硅通孔的背面电源配送网络架构建模研究

论文信息：

M. O. Hossen, B. Chava, G. Van der Plas, E. Beyne and M. S. Bakir, Power Delivery Network (PDN) Modeling for Backside-PDN Configurations With Buried Power Rails and μ TSVs, in IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 67, no. 1, pp. 11-17, Jan. 2020

论文链接：

doi: 10.1109/TED.2019.2954301.

Part.1

研究背景

多功能芯片的模块化异质集成技术正受到业界越来越多的关注，该技术可将多款功能芯片集成至单个封装中，例如将高带宽存储器与图形处理器、现场可编程门阵列与服务器处理器、高性能图形处理器与通用中央处理器等进行集成。具体而言，器件工艺微缩带来了诸多挑战：随着先进工艺节点的推进，传统金属层与金属层间通孔的电阻率和电阻值急剧上升，而电源配送网络的噪声容限要求却愈发严苛；此外，各类计算模块的功耗也大幅增加。背面电源配送网络架构试图通过将片上电源配送网络与传统的后端金属化层分离，来解决上述部分挑战。基于现有的电源配送网络建模技术，本文开发了一套分析背面电源配送网络架构中电源噪声的框架，并通过该框架将背面电源配送网络与传统的正面后端金属化电源配送网络进行基准对比，明确该方案的独特优势与局限性。

Part.2

研究内容

图 1 展示了芯片在封装中的布局，以及芯片上包含电源输入输出端口和电源配送网络的详细区域，同时呈现了本文所研究的背面电源配送网络架构。

图 1 传统正面电源配送网络架构与背面电源配送网络架构的芯片布局及金属层配置

本研究的建模中包含三个独立的电源配送网络域：片上、封装和板级电源配送网络。图 2 为片上电源配送网络的结构示意图，其中传统后端金属化层中的电源配送网络为交错式结构，而背面电源配送网络则是类网状结构。

图 2 （a）传统交错式后端金属化电源配送网络的片上结构；（b）网状背面电源配送网络的片上结构

本部分展示两种架构下的电源噪声分析结果，分析中暂未纳入金属 - 绝缘体 - 金属电容的影响。本研究采用 400 皮秒上升沿的阶跃响应，分析两种架构下的同时开关噪声，图 3 总结了分析结果，并对比了背面电源配送网络相对传统正面架构在各噪声压降上的优化效果。

图 3 均匀功率分布图下的电源噪声结果

先进工艺节点（如 7 纳米和 3 纳米）因集成密度更高，功耗会显著增加，本研究模拟了此类高要求的微尺度功率分布，如图 4（a） 所示。为模拟更贴近实际的场景，在首个热点区域周围增设四个热点区域，芯片总功耗达到 1.5 瓦，该场景对应多个核心或计算模块并行工作的情况，仿真结果如图 4（b） 所示。本研究还分析了总功耗 18.6 瓦的五个热点场景，该场景结合了均匀功率分布和高密度热点功率分布的特征，结果如图 4（c） 所示。

图 4 （a）含五个相邻热点区域的功率分布图；（b）无背景功耗的热点功率分布图下的电源噪声结果；（c）含 17.1 瓦均匀背景功耗的热点功率分布图下的电源噪声结果

以带埋入式电源轨的背面电源配送网络的红外压降为基准，对各架构的峰值红外压降进行归一化处理，结果显示该架构的各项指标均实现了至少四倍的优化。图 5 为两种架构物理设计提取的红外压降结果，物理设计结果表明，背面电源配送网络的芯片核心区域利用率更高。

图 5 不同电源配送网络架构的物理设计结果

本文中，背面电源配送网络的封装 - 芯片互连间距设定为 40 微米，传统后端金属化电源配送网络为 140 微米。图 6 分析了两种架构在不同互连间距下的性能，结果为各版本的最大瞬态电感压降噪声。

图 6 不同封装 - 芯片凸点间距下的峰值红外压降对比

本研究通过改变输入电流负载的上升沿，分析阶跃响应特性，采用前文的均匀功率分布图，上升沿的扫描范围为 200 皮秒至 1 纳秒，图 7 为分析结果，同时还给出了传统后端金属化电源配送网络在 1 纳秒上升沿下的阶跃响应结果作为参考。结果符合预期，随着上升沿的增加，背面架构的电源噪声逐渐降低。

图 7 上升沿变化对背面电源配送网络架构阶跃响应的影响（红线为传统后端金属化电源配送网络在 1 纳秒上升沿下的阶跃响应结果）

本文此前的分析均未纳入金属 - 绝缘体 - 金属电容，本部分研究其密度对电源噪声的影响，结果如图 8（a） 所示。图 8（a） 的内嵌图展示了 50 纳法 / 平方毫米电容密度下的噪声曲线，该曲线可代表电容密度高于 10 纳法 / 平方毫米时的噪声特征。本研究还采用不同的输入激励开展电源噪声分析，选取频率 1 吉赫的输入脉冲，上升沿 400 皮秒、导通时间 200 皮秒、下降沿 400 皮秒，分析了 0.5、5、50 纳法 / 平方毫米三种电容密度下的性能，结果如图 8（b） 所示。显然，随着芯片上金属 - 绝缘体 - 金属电容密度的增加，电源噪声及噪声波动均显著降低。

图 8 （a）不同金属 - 绝缘体 - 金属电容密度下的阶跃响应结果；（b）1 吉赫脉冲输入下的电源噪声结果

Part.3

研究总结

本文提出背面电源配送网络架构的建模框架，该架构通过硅片双面工艺分离电源与信号网络，结合钌基材料实现了电源电压性能的显著优化。经均匀与非均匀功率分布仿真验证，其电源噪声较传统架构降低四倍以上；基于 RISC-V 架构的物理设计则证实，该架构面积利用率提升 25%~30%，且任意封装 - 芯片凸点间距下性能均至少提升两倍，凸点间距微缩也对电源噪声优化有益。该架构还支持更快开关速度，400 皮秒上升沿下的噪声表现与传统架构 1 纳秒时相当，金属 - 绝缘体 - 金属电容密度超 5 纳法 / 平方毫米后虽不再优化首次压降噪声，但能降低高频纹波。此外，其介质键合层未带来明显热特性劣化，整体在电源完整性、面积利用率等方面优势显著，是适配先进工艺节点的高性能方案，为异构集成系统电源设计提供了新的技术支撑。

Hossen 等 - 2020 - Power delivery network (PDN) modeling for backside-PDN configurations with buried power rails and $.pdf

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