تصميم شبكة الطاقة (IC)

في تصميم الدوائر المتكاملة ، يُعنى تصميم شبكة الطاقة بتحليل وتصميم شبكات التوصيل الموجودة على الشريحة والتي توزع الطاقة الكهربائية عليها. تشمل تحديات التصميم انخفاض الجهد، وكثافة التيار في الموصلات، والحجم المادي للموصلات في الطبقة المعدنية للشريحة، والحد من التشويش غير المرغوب فيه الذي ينتقل عبر شبكة التوزيع. قد تتطلب طرق التصميم وبرامج تخطيط شبكات الطاقة تكرارًا للوصول إلى التصميم الأمثل. تُستخدم طرق متنوعة لنمذجة متطلبات التيار على الشريحة لتقليل تعقيد حسابات المحاكاة. قد تخدم الشبكات الموجودة على الشريحة ملايين الأجهزة. يُقيّد التبديل عالي السرعة خيارات التصميم في شبكة الطاقة. تُستخدم عمليات المحاكاة للتحقق من الأداء الأمثل في أسوأ الظروف.

تقوم شبكة توزيع الطاقة بتوزيع جهد الطاقة والأرضي من نقاط التوصيل إلى جميع الأجهزة في التصميم. يؤدي تصغير أبعاد الأجهزة ، وزيادة ترددات التبديل، وارتفاع استهلاك الطاقة في تقنيات النانو الدقيقة إلى تدفق تيارات تبديل عالية في شبكات الطاقة والأرضي، مما يُضعف الأداء والموثوقية. لذا، تُعدّ شبكة توزيع الطاقة القوية ضرورية لضمان التشغيل الموثوق للدوائر على الشريحة. ويُعتبر التحقق من سلامة مصدر الطاقة أمرًا بالغ الأهمية في التصاميم عالية الأداء.

بسبب مقاومة الوصلات البينية المكونة للشبكة، يحدث انخفاض في الجهد عبر الشبكة، يُعرف عادةً باسم انخفاض الجهد الناتج عن المقاومة الداخلية (IR-drop ). تُزوّد ​​العبوة أطراف شبكة الطاقة بالتيار إما عبر أطرافها في رقائق التوصيل السلكي، أو عبر مصفوفات النتوءات C4 في تقنية الرقائق المقلوبة . على الرغم من أن مقاومة أطراف العبوة صغيرة نسبيًا، إلا أن حثها قد يكون كبيرًا، مما يُسبب انخفاضًا في الجهد عند مواقع الأطراف نتيجةً لتغير التيار الذي تسحبه الأجهزة على الرقاقة مع الزمن. يُشار إلى هذا الانخفاض في الجهد باسم انخفاض التيار/معدل تغيره (di/dt-drop ). لذلك، فإن الجهد المُلاحظ عند الأجهزة هو جهد التغذية مطروحًا منه انخفاض الجهد الناتج عن المقاومة الداخلية (IR-drop) وانخفاض التيار/معدل تغيره (di/dt-drop).

يؤدي انخفاض الجهد المفرط في شبكة الطاقة إلى تقليل سرعات التبديل وهوامش الضوضاء في الدوائر، كما يُدخل ضوضاء قد تتسبب في أعطال وظيفية . وتؤدي كثافة التيار المتوسطة العالية إلى تآكل غير مرغوب فيه للأسلاك المعدنية نتيجة للهجرة الكهربائية . لذا، يكمن التحدي في تصميم شبكة توزيع الطاقة في تحقيق تنظيم ممتاز للجهد عند نقاط الاستهلاك، على الرغم من التقلبات الكبيرة في الطلب على الطاقة عبر الشريحة، وبناء مثل هذه الشبكة باستخدام أقل مساحة ممكنة من الطبقات المعدنية مع ضمان عمر طويل للشريحة. تبرز هذه المشكلات في الشرائح عالية الأداء مثل المعالجات الدقيقة ، حيث يجب توزيع كميات كبيرة من الطاقة عبر تسلسل هرمي من طبقات معدنية متعددة. وتُعد شبكة توزيع الطاقة القوية ضرورية لتحقيق ضمانات الأداء وضمان التشغيل الموثوق.

تعمل السعة الكهربائية بين شبكات توزيع الطاقة والأرضي، والتي تُعرف بمكثفات الفصل ، كمخزن شحنة محلي، وتُسهم في تقليل انخفاض الجهد عند نقاط التغذية. وتظهر السعة الطفيلية بين الأسلاك المعدنية لخطوط التغذية، وسعة الأجهزة غير المُبدِّلة، والسعة بين البئر N والركيزة، كسعات فصل ضمنية في شبكة توزيع الطاقة. مع ذلك، لا تكفي هذه السعة الضمنية أحيانًا لحصر انخفاض الجهد ضمن الحدود الآمنة، ما يضطر المصممين غالبًا إلى إضافة هياكل سعات فصل صريحة على الشريحة في مواقع استراتيجية. هذه السعات المضافة ليست مجانية، بل تزيد من مساحة الشريحة واستهلاكها للطاقة. تُشكِّل مقاومة التوصيلات الطفيلية ، وسعة الفصل ، وحثّ التغليف/التوصيلات دائرة RLC معقدة لها ترددات رنين خاصة بها. إذا كانت هذه الترددات قريبة من تردد التشغيل الخاص بالتصميم، فقد تحدث انخفاضات كبيرة في الجهد في الشبكة.

يكمن جوهر مشكلة تصميم شبكة الطاقة في إتمام التصميم . تبقى العديد من المتغيرات مجهولة حتى نهاية دورة التصميم، ولكن يجب اتخاذ القرارات المتعلقة ببنية وحجم وتخطيط شبكة الطاقة في مراحل مبكرة جدًا، قبل حتى البدء بجزء كبير من تصميم الشريحة. يُمكن الحصول على أدق تحليل من خلال التحقق من تخطيط شبكة الطاقة بعد اكتمال تصميم الشريحة بالكامل، ومعرفة معلومات تفصيلية حول العناصر الطفيلية لخطوط الطاقة والأرضي والتيارات التي تسحبها الترانزستورات. مع ذلك، فإن مشاكل شبكة الطاقة التي تظهر في هذه المرحلة عادةً ما تكون صعبة أو مكلفة للغاية، لذا تساعد أدوات التحليل الحديثة ^{[ 1 ] [ 2 ]} في تصميم شبكة طاقة أولية وتحسينها تدريجيًا في مختلف مراحل التصميم.

نظراً لزيادة استهلاك الطاقة وسرعات التبديل في المعالجات الدقيقة الحديثة عالية الأداء، أصبحت تأثيرات معدل تغير التيار (di/dt) مصدر قلق متزايد في تصميمات الدوائر عالية السرعة. ويمكن أن يؤدي التحكم في بوابات الساعة ، وهو أسلوب مفضل لإدارة الطاقة في هذه التصميمات، إلى ارتفاعات سريعة في متطلبات التيار للوحدات الكبيرة، مما يزيد من تأثيرات معدل تغير التيار . ويعتمد المصممون على السعات الطفيلية الموجودة على الشريحة، بالإضافة إلى مكثفات الفصل المضافة عمداً، لمواجهة تغيرات الجهد الناتجة عن معدل تغير التيار. ولكن من الضروري نمذجة محاثة وسعة الغلاف والشريحة بدقة، وتحليل الشبكة باستخدام هذه النماذج، وإلا فقد يتم التقليل من قيمة الفصل المطلوب أو المبالغة فيها. كما يجب الحفاظ على كفاءة التحليل حتى عند تضمين هذه النماذج التفصيلية.

تُعدّ ضخامة حجم شبكة الطاقة (التي تضم عادةً ملايين العُقد في معالج دقيق متطور) مشكلةً حاسمةً في تحليلها. فمحاكاة جميع الأجهزة غير الخطية في الشريحة مع شبكة الطاقة أمرٌ غير عملي من الناحية الحسابية. ولتقليل حجم الشبكة، تُجرى المحاكاة على مرحلتين. في المرحلة الأولى، تُحاكى الأجهزة غير الخطية بافتراض جهد تغذية مثالي، ويُقاس التيار المسحوب منها. في المرحلة الثانية، تُنمذج هذه الأجهزة كمصادر تيار مستقلة متغيرة مع الزمن لمحاكاة شبكة الطاقة، ويُقاس انخفاض الجهد عند الترانزستورات. وبما أن انخفاض الجهد عادةً ما يكون أقل من 10% من جهد التغذية، فإن الخطأ الناتج عن تجاهل التفاعل بين تيارات الأجهزة وجهد التغذية يكون ضئيلاً. وباتباع هاتين المرحلتين، تُختزل مشكلة تحليل شبكة الطاقة إلى حل شبكة خطية، وهي لا تزال كبيرة الحجم، ما يستلزم استخدام تقنيات المصفوفات المتفرقة لحلها. ولتقليل حجم الشبكة أكثر، يُمكننا الاستفادة من التسلسل الهرمي في نماذج توزيع الطاقة.

لا تكون تيارات الدائرة مستقلة بسبب ترابط الإشارات بين الوحدات. ويتم معالجة ذلك باستخلاص مدخلات الوحدات الفردية للشريحة من نتائج محاكاة المنطق باستخدام مجموعة مشتركة من متجهات الاختبار على مستوى الشريحة . ومن المسائل المهمة في تحليل شبكة الطاقة تحديد أنماط هذه المدخلات. ففي تحليل انخفاض الجهد، تُطلب أنماط تُنتج أقصى تيارات لحظية، بينما في تحليل الهجرة الكهربائية، تُعدّ الأنماط التي تُنتج تيارات مستدامة (متوسطة) كبيرة هي الأهم. ومن المعروف أن إيجاد أسوأ الأنماط الممكنة مسألة صعبة الحل (NP-hard) ^{[ 3 ]} ، ولذلك تُستخدم التقريبات والحدس.

يمكن تصنيف تحليل شبكة الطاقة إلى طريقتين: طريقة تعتمد على متجه الإدخال ^{[ 4 ] [ 5 ]} وطريقة لا تعتمد على متجه الإدخال ^{[ 6 ]} . تستخدم الطريقة التي تعتمد على نمط متجه الإدخال تقنيات بحث لإيجاد مجموعة من أنماط الإدخال التي تُسبب أسوأ انخفاض في جهد الشبكة. وقد طُرح عدد من الطرق في الأدبيات العلمية التي تستخدم الخوارزميات الجينية أو تقنيات بحث أخرى لإيجاد متجهات أو نمط من المتجهات التي تُعظّم إجمالي التيار المسحوب من شبكة التغذية. تتطلب الطرق التي تعتمد على نمط متجه الإدخال موارد حاسوبية كبيرة، وتقتصر على دوائر صغيرة بدلاً من تحليل الشريحة الكاملة. علاوة على ذلك، تتسم هذه الطرق بالتفاؤل المفرط، حيث تُقلل من تقدير انخفاض الجهد، وبالتالي تتجاهل بعض مشاكل ضوضاء التغذية. أما الطرق التي لا تعتمد على متجه الإدخال، فتحسب إما تقديرًا إحصائيًا أو حدًا أعلى لأسوأ حالة انخفاض في الجهد. تتميز هذه الطرق بالسرعة، ولكن قد تكون الطرق الإحصائية متفائلة، مما يؤدي إلى أعطال، بينما تكون الحدود العليا في بعض الأحيان متحفظة للغاية، مما يؤدي إلى تصميم زائد عن الحاجة. ^{[ 7 ]}

تتناول معظم الدراسات المتعلقة بتحليل شبكات الطاقة مسألة حساب أسوأ انخفاضات الجهد في الشبكة. وتُعدّ الهجرة الكهربائية مصدر قلق بالغ، ولكن يتم التعامل معها بأساليب متطابقة تقريبًا. فبدلًا من حساب الجهد عند كل عقدة، يحسب تحليل الهجرة الكهربائية التيار في كل فرع، وبدلًا من تحديد حد أقصى للجهد، يُحدد حد أقصى للتيار لكل سلك، يعتمد على طبقته وعرضه.

قد تستخدم تطبيقات الدوائر المتكاملة الأخرى جزءًا فقط من العمليات المذكورة هنا. فعلى سبيل المثال، سيقتصر عمل مصمم مصفوفة البوابات أو مصفوفة البوابات القابلة للبرمجة الميدانية (FPGA) على مراحل التصميم فقط، نظرًا لعدم معرفة الاستخدام التفصيلي لهذه الأجزاء عند تصميم مصدر الطاقة. وبالمثل، سيقتصر استخدام مستخدمي مصفوفات البوابات أو مصفوفات البوابات القابلة للبرمجة الميدانية على مرحلة التحليل فقط، لأن التصميم مُحدد مسبقًا.

• التحكم في الطاقة

• دليل أتمتة التصميم الإلكتروني للدوائر المتكاملة ، من تأليف لافاجنو ومارتن وشيفر، رقم ISBN 0-8493-3096-3دراسة استقصائية لمجال أتمتة التصميم الإلكتروني . تم استخلاص هذا الملخص (بإذن) من المجلد الثاني، الفصل 20، تصميم وتحليل شبكات إمداد الطاقة ، من تأليف ديفيد بلاو ، وسانجاي بانت، وراجات تشودري، وراجندران باندا.