《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于Cadence軟件平臺(tái)的分布式電源噪聲仿真方法研究
電子技術(shù)應(yīng)用
張瑾1，孫光超1，張建國1，莊哲民2
1.深圳市中興微電子技術(shù)有限公司；2.上海楷登電子科技有限公司
摘要： 為了縮短采用PowerSI提取電源S參數(shù)的建模時(shí)間，提高芯片內(nèi)部功能模塊電源仿真的精度，進(jìn)一步識(shí)別敏感區(qū)域電源噪聲，引入了一種基于封裝電源的分布式建模及電源噪聲實(shí)測(cè)點(diǎn)確定方法。用該方法研究了系統(tǒng)處理芯片內(nèi)部功能模塊的電源仿真，發(fā)現(xiàn)在時(shí)域電源仿真的噪聲中，同一數(shù)據(jù)流流經(jīng)功能近似的電源模塊產(chǎn)生的電源噪聲存在相似性。在此基礎(chǔ)上，建立電源分布式模型，將功能近似的電源模塊進(jìn)行分組，并將分組后的封裝電源S 參數(shù)模型和die內(nèi)RC模型融入到電源時(shí)域噪聲仿真中，然后根據(jù)仿真結(jié)果確定封裝bump處敏感區(qū)域噪聲實(shí)測(cè)點(diǎn)的位置。通過仿測(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在噪聲頻域主頻點(diǎn)對(duì)齊的條件下，噪聲時(shí)域的仿測(cè)誤差小于6%，驗(yàn)證了所提分布式仿真方法的有效性。
中圖分類號(hào)：TN402 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.250805
中文引用格式： 張瑾，孫光超，張建國，等. 基于Cadence軟件平臺(tái)的分布式電源噪聲仿真方法研究[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(8)：27-30.
英文引用格式： Zhang Jin，Sun Guangchao，Zhang Jianguo，et al. Research on distributed power network noise simulation methodology based on the Cadence software platform[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(8)：27-30.
Research on distributed power network noise simulation methodology based on the Cadence software platform
Zhang Jin1，Sun Guangchao1，Zhang Jianguo1，Zhuang Zhemin2
1.Sanechips Technology Co.，Ltd；2.Shanghai Cadence Electronics Technology Co.， Ltd.
Abstract： To reduce the modeling time for extracting power S-parameters using PowerSI, improve the accuracy of power supply simulations for internal functional modules in chips, and further identify power supply noise in sensitive regions, a distributed modeling method based on package power supply and a determination approach for practical noise measurement points were introduced. Applying this method to study power supply simulations of functional modules within a system processor chip, it was discovered that in time-domain power supply noise simulations, functionally similar power modules under the same data flow exhibit similarity in generated noise characteristics. Building on this observation, a distributed power supply model was established to group functionally analogous power modules. The grouped package power S-parameter models and die-level RC models were then integrated into time-domain power supply noise simulations. Based on simulation results, the locations of sensitive noise measurement points at package bumps were determined. Comparative simulations and measurements demonstrated that under alignment of main frequency components in the noise frequency domain, the time-domain simulation-measurement error remains below 6%, validating the effectiveness of the proposed distributed simulation methodology.
Key words : distributed parameter extraction；noise test point；simulation-test correlation analysis

引言

隨著芯片（如AI加速器、SoC）集成了數(shù)十億晶體管，電源網(wǎng)絡(luò)涉及多層級(jí)寄生參數(shù)，直接全芯片建模會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。芯片規(guī)模的擴(kuò)大與異構(gòu)集成的普及使得電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）面臨前所未有的挑戰(zhàn)：一方面，隨著工藝演進(jìn)的供電電壓持續(xù)降低，電源噪聲容限急劇縮??；另一方面，動(dòng)態(tài)電流的時(shí)空分布愈發(fā)復(fù)雜，引發(fā)局部電壓跌落及高頻諧振等電源完整性問題。

傳統(tǒng)電源噪聲仿真多采用集總建模方法，通過全芯片寄生參數(shù)提取構(gòu)建統(tǒng)一的RLC網(wǎng)絡(luò)模型。集總建模在低頻小規(guī)模芯片設(shè)計(jì)中具有計(jì)算效率高、模型復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)[1]。然而，隨著芯片規(guī)模突破百億晶體管量級(jí)，集總建模無法捕捉局部電壓降和高頻噪聲耦合，仿真精度低。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，業(yè)界逐步轉(zhuǎn)向分布式電源噪聲仿真方法的研究，如圖1所示。其核心思想為基于功能模塊的電源行為特征與噪聲傳播路徑，將芯片拆解為多個(gè)子域，通過分布式參數(shù)提取與協(xié)同仿真實(shí)現(xiàn)效率與精度的平衡。如張毅[2]提出多輸入阻抗理論和二維分布式電路法，將PDN平面劃分為T型等效電路單元；Satomi等人[3]在3DIC PDN優(yōu)化中引入NSGA-II算法，將全芯片PDN劃分為5×5降低計(jì)算復(fù)雜度。當(dāng)前，分布式仿真技術(shù)已逐步應(yīng)用于業(yè)界高端芯片設(shè)計(jì)，但其理論體系與標(biāo)準(zhǔn)化流程仍待完善，尤其是在時(shí)-頻域聯(lián)合驗(yàn)證及機(jī)器學(xué)習(xí)輔助建模等方向存在顯著研究空白。

圖片1.png

圖1　集總式和分布式建模

本研究以大規(guī)模系統(tǒng)芯片為對(duì)象，提出一種分布式電源噪聲仿真框架。通過融合模塊化S參數(shù)提取、時(shí)域噪聲相似性分析及頻域阻抗匹配技術(shù)，構(gòu)建分布式PDN模型，解決傳統(tǒng)方法在效率、精度與擴(kuò)展性上的矛盾。本文的創(chuàng)新點(diǎn)包括：提出功能模塊電源噪聲相似性量化準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)電流模型分布式建模；基于仿真結(jié)果定位敏感噪聲區(qū)域，通過仿測(cè)對(duì)比指導(dǎo)電源設(shè)計(jì)。研究結(jié)果可為大規(guī)模系統(tǒng)芯片的電源完整性設(shè)計(jì)提供理論支撐，并推動(dòng)異構(gòu)集成芯片的高效開發(fā)。


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作者信息：

張瑾1，孫光超1，張建國1，莊哲民2

（1.深圳市中興微電子技術(shù)有限公司，廣東 深圳518055；

2.上海楷登電子科技有限公司，上海 200000）


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