पावर नेटवर्क डिजाइन (आईसी)

इस प्रोसेसर सर्किट के लिए धातु कंडक्टर की शीर्ष परत लगभग पूरी तरह से चिप पर बिजली वितरण के लिए उपयोग की जाती है।

शक्ति जालतंत्र संरचना, एकीकृत परिपथ संरचना में एक चिप पर स्थित चालकों के जालतंत्र का विश्लेषण और संरचना है, जो उस चिप पर विद्युत शक्ति का वितरण करती है। सभी अभियांत्रिकियों के समान इसमें भी एक दुविधा सम्मिलित होती है, जैसे जालतंत्र में पर्याप्त प्रदर्शन और पर्याप्त विश्वसनीयता होनी चाहिए, लेकिन आवश्यकता से अधिक संसाधनों का उपयोग नहीं होना चाहिए।

कार्य

विद्युत वितरण जालतंत्र, एक संरचना में सभी उपकरणों के लिए तार बंधन स्थानों से विद्युत और ग्राउंड विभवान्तर वितरित करता है। उपकरण के सिकुड़ते आयाम, तेज स्विचिंग आवृत्ति और गहन उप-माइक्रोमीटर प्रौद्योगिकियों में विद्युत की खपत बढ़ने से शक्ति और ग्राउंड जालतंत्र में बड़ी स्विचिंग धाराएँ प्रवाहित होती हैं, जो प्रदर्शन और विश्वसनीयता को कम करती हैं। एक चिप पर परिपथों के विश्वसनीय संचालन को सुनिश्चित करने के लिए एक सुदृढ़ विद्युत वितरण जालतंत्र आवश्यक है। विद्युत आपूर्ति अखंडता सत्यापन, उच्च प्रदर्शन वाली संरचनाओं में चिंता का महत्वपूर्ण विषय है।

रचना विवेचन

जालतंत्र का निर्माण करने वाले अंतर्संयोजनों के प्रतिरोध के कारण, पूरे जालतंत्र में एक विभव-पात होता है, जिसे सामान्यतः आईआर-पात (ड्रॉप) के रूप में जाना जाता है। यह संकुल (पैकेज), पावर ग्रिड के तार-बंधन को या तो तार-बंधन चिपों में संकुल लीड के माध्यम से या फ्लिप चिप तकनीक में सी4 बम्प ऐरे के माध्यम से धाराओं की आपूर्ति करता है। संकुल के प्रतिरोध के काफी छोटा होने के कारण संकुल लीड का प्रेरण महत्वपूर्ण होता है जो डाई पर उपकरणों द्वारा खींची जाने वाली समय-परिवर्तनीय धारा के कारण तार-बंधन वाले स्थानों पर होने वाले विभव-पात का कारण बनता है। इस विभव-पात को di/dt-पात के रूप में जाना जाता है। इसलिए उपकरणों पर प्रदर्शित होने वाला विभवान्तर, आपूर्ति विभवान्तर और आईआर-पात एवं di/dt-पात का अंतर होता है।

पावर ग्रिड में अत्यधिक विभव पात, परिपथ की पारस्परिक परिवर्तन की गति और ध्वनि के अंतर को कम करता है, और ध्वनि को अंतःक्षेपित करता है जिससे कार्यात्मक विफलता हो सकती है। उच्च औसत धारा घनत्व, विद्युत-प्रवास के कारण धात्विक तारों के अवांछनीय घिसाव का कारण बनते हैं। इसलिए, विद्युत वितरण जालतंत्र की संरचना में चिप में विद्युत की माँग में व्यापक उतार-चढ़ाव होते हुए भी उपभोग बिंदुओं पर उत्कृष्ट विभवान्तर की निरंतरता प्राप्त करना और धातु परतों के न्यूनतम क्षेत्र का उपयोग करके ऐसे जालतंत्रों का निर्माण करना एक चुनौती है। माइक्रोप्रोसेसरों जैसी उच्च प्रदर्शन चिपों में ये मुद्दे प्रमुख होते हैं, क्योंकि इसमें विद्युत की बड़ी मात्रा को धातु की कई परतों के पदानुक्रम के माध्यम से वितरित करना होता है। प्रदर्शन प्रत्याभूति को पूर्ण करने और विश्वसनीय संचालन को सुनिश्चित करने के लिए एक मजबूत विद्युत वितरण जालतंत्र का होना महत्वपूर्ण है।

पावर और ग्राउंड वितरण जालतंत्रों के बीच धारिता (प्रति-युग्मन संधारित्र या डिकैप्स) स्थानीय आवेश संग्राहक के रूप में कार्य करती है और आपूर्ति बिंदुओं पर विभव-पात को कम करने में सहायक होती है। आपूर्ति लाइनों के धातु के तारों के बीच पराश्रयी धारिता, गैर पारस्परिक परिवर्तन वाले उपकरणों की उपकरण धारिता और एन-वेल एवं अधःस्तर के बीच धारिता, एक विद्युत वितरण जालतंत्र में निहित प्रति-युग्मन धारिता के रूप में होती हैं। दुर्भाग्य से, यह निहित प्रति-युग्मन धारिता कभी-कभी सुरक्षित सीमा के भीतर विभव-पात को बाधित करने के लिए पर्याप्त नहीं होती है और संरचनाकर्ताओं को प्रायः डाई के रणनीतिक स्थानों पर जानबूझकर स्पष्ट प्रति-युग्मन धारिता संरचनाओं को जोड़ना पड़ता है। स्पष्ट रूप से जोड़ी गईं ये प्रति-युग्मन धारिताएँ मुक्त नहीं होती हैं, ये चिप के क्षेत्र और विद्युत रिसाव की खपत को बढ़ाती हैं। पराश्रयी अंतर्संयोजित प्रतिरोध, प्रति-युग्मन धारिता और संकुल/अंतर्संयोजित प्रेरण, स्वयं की अनुनाद आवृत्ति वाले एक जटिल आरएलसी परिपथ का निर्माण करते हैं। यदि अनुनाद आवृत्ति संरचना की संचालन आवृत्ति के करीब होती है, तो ग्रिड में उच्च विभव-पात विकसित हो सकता है।

पावर ग्रिड की संरचना में समस्या की जड़ यह है कि संरचना चक्र के लगभग अंत तक कई अज्ञात राशियाँ होती हैं। फिर भी पावर ग्रिड की संरचना, आकार और अभि-विन्यास के बारे में बहुत प्रारम्भिक चरणों में ही निर्णय किये जाने की आवश्यकता होती है, जब कि चिप संरचना के एक बड़े हिस्से का निर्माण शुरू भी नहीं हुआ हो। दुर्भाग्य से, अधिकांश व्यावसायिक उपकरण पावर ग्रिड के उत्तर अभि-विन्यास सत्यापन पर ध्यान केंद्रित करते हैं, जब संपूर्ण चिप डिज़ाइन पूर्ण होता है और पावर और ग्राउंड लाइनों के परजीवी और ट्रांजिस्टर द्वारा खींची गई धाराओं के बारे में विस्तृत जानकारी ज्ञात होती है। इस स्तर पर सामने आई पावर ग्रिड की समस्याएं आमतौर पर बहुत मुश्किल या महंगी होती हैं, इसलिए पसंदीदा तरीके प्रारंभिक पावर ग्रिड को डिजाइन करने और इसे विभिन्न डिजाइन चरणों में उत्तरोत्तर परिष्कृत करने में मदद करते हैं।

बिजली की खपत में वृद्धि और आधुनिक उच्च प्रदर्शन माइक्रोप्रोसेसरों की स्विचिंग गति के कारण, उच्च गति वाले डिजाइनों में di/dt प्रभाव एक बढ़ती हुई चिंता बन रहे हैं। क्लॉक गेटिंग, जो उच्च प्रदर्शन डिजाइनों के पावर प्रबंधन के लिए एक पसंदीदा योजना है, मैक्रो-ब्लॉक की वर्तमान मांगों में तेजी से वृद्धि कर सकती है और di/dt प्रभाव बढ़ा सकती है। डिज़ाइनर ऑन-चिप परजीवी धारिता पर भरोसा करते हैं और वोल्टेज में di/dt भिन्नताओं का प्रतिकार करने के लिए जानबूझकर जोड़े गए decoupling कैपेसिटर पर भरोसा करते हैं। लेकिन पैकेज और चिप के इंडक्शन और कैपेसिटेंस को सटीक रूप से मॉडल करना और ऐसे मॉडल के साथ ग्रिड का विश्लेषण करना आवश्यक है, अन्यथा जोड़े जाने वाले डिकूपिंग की मात्रा को कम करके आंका जा सकता है या कम करके आंका जा सकता है। साथ ही इन विस्तृत मॉडलों को शामिल करते हुए भी विश्लेषण की दक्षता बनाए रखना आवश्यक है।

विश्लेषण

पावर ग्रिड के विश्लेषण में जालतंत्र का बड़ा आकार (सामान्यतः अत्याधुनिक माइक्रोप्रोसेसर में लाखों नोड्स) एक महत्वपूर्ण मुद्दा है। एक चिप के सभी अरैखिक उपकरणों को पावर ग्रिड के साथ अनुरूपित करना गणकीय रूप से संभव नहीं है। इसके आकार को प्रबंधनीय बनाने के लिए अनुरूपता को दो चरणों में पूर्ण किया जाता है। सर्वप्रथम अरैखिक उपकरणों को पूर्ण आपूर्ति विभवान्तर मानकर अनुरूपित किया जाता है और उपकरणों द्वारा रेखांकित धाराओं को मापा जाता है। इसके बाद इन उपकरणों को पावर ग्रिड के अनुरूप बनाने के लिए स्वतंत्र समय-परिवर्तित धारा स्रोतों के रूप में व्यवस्थित किया जाता है और फिर ट्रांजिस्टर पर विभव-पातों को मापा जाता है। चूंकि विभव-पात सामान्यतः विद्युत आपूर्ति विभवान्तर के 10% से कम होते हैं, इसलिए उपकरण धाराओं और आपूर्ति विभवान्तर की पारस्परिक-क्रिया को अनदेखा करते हुए होने वाली त्रुटि छोटी होती है। एक रैखिक जालतंत्र को हल करने के लिए पावर ग्रिड विश्लेषण की समस्या इन दो चरणों के क्रियान्वयन से कम हो जाती है जो अभी भी काफी बड़ा जालतंत्र है। जालतंत्र आकार को और कम करने के लिए विद्युत वितरण मॉडल में पदानुक्रम का लाभ उठाया जा सकता है।

खण्डों के बीच संकेत सहसंबंधों के कारण परिपथ धाराएँ स्वतंत्र नहीं होती हैं। इसे चिप-वाइड इनपुट प्रतिरूप के एक सामान्य समूह का उपयोग करके तर्क अनुरूपण के परिणामों से चिप के अलग-अलग खण्डों के लिए इनपुट प्राप्त करके संबोधित किया जाता है। पावर ग्रिड विश्लेषण में इनपुट प्रतिरूपों का निर्धारण एक महत्वपूर्ण मुद्दा है। आईआर-ड्रॉप विश्लेषण के लिए अधिकतम तात्कालिक धाराओं का उत्पादन करने वाले प्रतिरूपों की आवश्यकता होती है, जबकि विद्युत्-प्रवास के उद्देश्यों के लिए बड़ी निरंतर (औसत) धाराओं का उत्पादन करने वाले प्रतिरूपों का चयन रुचिपूर्ण है।

पावर ग्रिड विश्लेषण को इनपुट सदिश आश्रित विधियों और सदिशहीन विधियों में वर्गीकृत किया जा सकता है। इनपुट सदिश प्रतिरूपों पर निर्भर विधियाँ, इनपुट प्रतिरूप के एक समूह को प्राप्त करने के लिए खोज तकनीकों को नियोजित करते हैं, जो ग्रिड में सबसे निकृष्ट गिरावट का कारण बनती हैं। साहित्य में कई विधियों को प्रस्तावित किया गया है, जो सदिश या सदिश के एक प्रतिरूप को प्राप्त करने के लिए आनुवंशिक एल्गोरिथम या अन्य खोज तकनीकों का उपयोग करते हैं, जो आपूर्ति जालतंत्र से खींची गई कुल धारा को अधिकतम करते हैं। इनपुट सदिश-प्रतिरूपों पर निर्भर दृष्टिकोण गणकीय रूप से गहन होते हैं जो पूर्ण-चिप विश्लेषण के स्थान पर परिपथ खंड तक ही सीमित होते हैं। इसके अतिरिक्त ये दृष्टिकोण स्वाभाविक रूप से आशावादी होते हैं, और विभव पात का अवप्राक्कलन (कम आँकना) करते हुए आपूर्ति ध्वनि की कुछ समस्याओं पर ध्यान नहीं देते हैं। दूसरी ओर, सदिश-हीन दृष्टिकोण का उद्देश्य एक कुशल तरीके से सबसे खराब स्थिति में ऊपरी सीमा की गणना करना है। इन दृष्टिकोणों में तीव्र और रूढ़िवादी होने का लाभ होता है, लेकिन कभी-कभी इसके अधिक रूढ़िवादी होने के कारण अधिसंरचना की समस्या होती है। [4]

शक्ति जालतंत्र विश्लेषण पर आधारित अधिकांश साहित्य, शक्ति जालतंत्र में सबसे खराब विभव-पात की गणना के मुद्दे से संबंधित है। विद्युत-प्रवास की समस्या एक समान रूप से गंभीर है, लेकिन इस पर लगभग समान विधियों से ही आक्षेप किया जाता है। प्रत्येक आसंधि पर विभवान्तर के स्थान पर ईएम विश्लेषण, प्रत्येक शाखा में धारा की व्याख्या करता है, और इसकी परत और चौड़ाई के आधार पर विभवान्तर सीमा के स्थान पर प्रति तार एक धारा सीमा होती है।

अन्य आईसी अनुप्रयोग यहाँ उल्लिखित प्रवाह के केवल एक भाग का उपयोग कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, एक गेट ऐरे या फील्ड प्रोग्रामेबल गेट ऐरे (एफपीजीए) संरचनाकर्ता, केवल संरचना चरण को ही पूर्ण करता है, क्योंकि विद्युत आपूर्ति की संरचना आवश्यक रूप से करते समय इन भागों की विस्तृत उपयोगिता ज्ञात नहीं होती है। इसी तरह, एफपीजीए या गेट सरणियों का उपयोगकर्ता केवल विश्लेषण भाग का ही उपयोग करता है, क्योंकि इसकी संरचना पहले से ही तय होती है।

यह भी देखें

• पावर गेटिंग

संदर्भ

• Electronic Design Automation For Integrated Circuits Handbook, by Lavagno, Martin, and Scheffer, ISBN 0-8493-3096-3 A survey of the field of electronic design automation. This summary was derived (with permission) from Vol II, Chapter 20, Design and Analysis of Power Supply Networks, by David Blaauw, Sanjay Pant, Rajat Chaudhry, and Rajendran Panda.

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