本發(fā)明屬于電學，更進一步涉及數(shù)字信息傳輸中的一種基于電源分配網(wǎng)絡pdn(power?distribution?network)阻抗曲線電壓噪聲均方根rms(root?meansquare)預測方法。本發(fā)明可用于計算芯片-封裝系統(tǒng)cps(chip-package?system)中的電壓噪聲的rms，據(jù)此，可對芯片運行而產生的電壓噪聲進行量化評估，為pdn設計進行理論指導。

背景技術：

1、隨著技術的不斷進步，晶體管的工藝尺寸逐漸逼近極限，芯片的性能提升通過提升晶體管的布局密度以及縮小芯片的尺寸來實現(xiàn)，這將導致更大的電流消耗，進而導致在pdn上產生幅值更大的電壓噪聲。電壓噪聲的波動范圍若超過芯片設計所能承受范圍，那么芯片會出現(xiàn)諸如燒毀、欠壓不工作的情況。

2、目前評估pdn的設計質量可以使用傳統(tǒng)的目標阻抗法，其在頻域上對pdn的阻抗曲線進行分析，是系統(tǒng)可以容忍的最大電壓噪聲與最大電流幅值的比值。只要阻抗曲線在頻率范圍內的幅值均不超過設計所要求的幅值，那么電壓噪聲的幅值將不會超過芯片所能承受的范圍。以此為依據(jù)可以指導pdn的電容選值、電源平面設計。但是目標阻抗法存在兩個主要的問題。一是面對兩個阻抗曲線幅值均達到目標阻抗的pdn設計，目標阻抗法難以準確判斷哪一個pdn設計更好。二是隨著芯片尺寸的增大，芯粒(chiplet)技術被廣泛應用，每個芯粒之間存在大量的噪聲耦合。使用目標阻抗法只能作為單個芯粒pdn的評價標準，在多芯粒的場景下將難以計算芯粒與芯粒之間電壓噪聲的耦合效應。

3、近期提出了最壞電壓噪聲法評估pdn的設計質量，其在時域上利用斜坡電流與pdn的阻抗曲線的卷積結果預測芯片運行在pdn上所能產生的最壞電壓噪聲。只要最壞電壓噪聲沒有超過設計值，那么pdn的設計就是符合要求的。但是這種方法存在三個問題。其一是在需要寬松設計的pdn的場景下，最壞電壓噪聲往往過于悲觀，可能五年乃至更長時間才會出現(xiàn)一次。要使得pdn設計滿足最壞電壓噪聲需要進行大量的冗余設計，增加大量的成本。其二是預測最壞電壓噪聲需要進行斜坡電流的仿真，得到斜坡電流的響應電壓，所需時間較長。其三是最壞電壓噪聲法只能預測單芯粒場景下的最壞電壓噪聲，無法預測在多芯粒存在噪聲耦合的場景下的最壞電壓噪聲。

4、yuhuan?luo在其發(fā)表的論文“calculation?of?the?worst-case?voltage?noisefor?a?power?distribution?network?based?on?ramp?current”(ieee?transactions?oncircuits?and?systems?i:regular?papers,2024)中提出了一種pdn最壞電壓噪聲的預測方法。該方法的實現(xiàn)步驟為：第一步：對電源分配網(wǎng)絡進行頻域仿真，獲得電源分配網(wǎng)絡輸出端口的頻域自阻抗曲線；第二步：利用電源分配網(wǎng)絡中最大峰值對應的反諧振頻率調制周期矩形波，得到引起最壞電源噪聲的輸入碼型；第三步：仿真得到電源分配網(wǎng)絡輸出端口的上升電流和下降電流；第四步：預測電源分配網(wǎng)絡輸出端口最壞電流；第五步：計算電源分配網(wǎng)絡時域阻抗；第六步：計算最壞電壓噪聲。該方法存在的不足之處有三點，其一是最壞的電壓噪聲出現(xiàn)的概率極低，系統(tǒng)正常工作難以產生最壞電壓噪聲，強行滿足該要求會導致過設計；其二是需要進行瞬態(tài)仿真以獲得斜坡電流的響應，瞬態(tài)仿真消耗的時間長，預測效率低；其三是只能面對單芯粒場景，在多芯粒存在電壓噪聲耦合的場景下無法應對。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術的不足，提出一種基于多芯粒pdn阻抗曲線的電壓噪聲rms預測方法，用于解決預測單芯粒最壞電壓噪聲易導致的pdn過設計、難以應對系統(tǒng)中存在多芯粒場景以及計算效率低的問題。

2、實現(xiàn)本發(fā)明目的的思路是，本發(fā)明利用電壓噪聲的平穩(wěn)度評估pdn的設計質量，減少出現(xiàn)悲觀評估系統(tǒng)的情況。因為電壓噪聲平穩(wěn)度更適用于描述系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下的電壓噪聲波動波形，適用于可以寬松設計的pdn，解決了現(xiàn)有技術在面對所有pdn設計的時候只考慮pdn可以產生的最壞電壓噪聲，而忽略了其最壞電壓噪聲在系統(tǒng)正常運行的情況下出現(xiàn)的概率極低，而導致部分pdn過設計的問題。本發(fā)明使用阻抗曲線計算電壓噪聲的rms，直接使用rms評估pdn的設計質量。在計算過程中只需要pdn的阻抗曲線，利用電流經過pdn后的功率譜密度計算rms，不需要額外的使用仿真軟件進行瞬態(tài)仿真。解決了現(xiàn)有技術在計算過程中需要進行瞬態(tài)仿真，以獲得斜坡電流作用于pdn后產生的電壓波形曲線，仿真效率較低的問題。本發(fā)明所提出的計算電壓噪聲rms，從電流經過pdn后的功率譜密度的角度對系統(tǒng)進行分析，對耦合電壓噪聲的能量進行線性加和，因此不僅可以適用于cps中只存在單芯粒的情況，也適用于cps中存在多芯粒的情況，解決了現(xiàn)有技術只能評估包含單芯粒的pdn的設計質量的問題。

3、本發(fā)明采取的技術方案包括如下步驟：

4、步驟1，計算理想矩形窗的psd；

5、步驟2，由理想矩形窗的psd與四階貝葉斯-湯姆森濾波器得到梯形波的psd；

6、步驟3，通過概率矩陣以及梯形波的psd得到符合不同隨機過程的電流行為的psd；

7、步驟4，利用電流行為的psd以及pdn的阻抗曲線計算電流經過pdn后電壓噪聲的psd；

8、步驟5，使用cps中包含單芯?；蚨嘈玖鼍跋碌碾妷涸肼暤膒sd預測其對應的時域電壓噪聲的rms。

9、本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點：

10、第一，本發(fā)明利用電壓噪聲的平穩(wěn)度評估pdn的設計質量，減少出現(xiàn)悲觀評估系統(tǒng)的情況?？朔爽F(xiàn)有技術只考慮pdn可以產生的最壞電壓噪聲，而忽略了其最壞電壓噪聲在系統(tǒng)正常運行的情況下出現(xiàn)的概率極低，而導致pdn過設計的缺陷。使得采用本發(fā)明的方法得到的評估結果更為貼近實際的電壓噪聲波動波形。

11、第二，本發(fā)明使用阻抗曲線計算電壓噪聲的rms，直接使用rms評估pdn的設計質量。在計算過程中只需要pdn的阻抗曲線，不需要額外的使用仿真軟件進行瞬態(tài)仿真?？朔爽F(xiàn)有技術在計算過程中需要進行瞬態(tài)仿真，以獲得斜坡電流作用于pdn后產生的電壓波形曲線，仿真效率較低的缺陷，使得本發(fā)明提高了評估pdn設計質量的效率。

12、第三，本發(fā)明所提出的方法，不僅可以應用于cps中只存在單芯粒的情況，也適用于cps中存在多芯粒的情況?？朔爽F(xiàn)有技術只能評估包含單芯粒的pdn的設計質量的缺陷，使得本發(fā)明在評估pdn設計質量上有著更為廣泛的應用空間。

技術特征：

1.一種基于多芯粒pdn阻抗曲線的電壓噪聲rms預測方法，其特征在于，利用pdn的阻抗曲線，預測cps中包含單芯?；蚨嘈玖鼍跋聀dn由于芯粒不同的電流消耗行為而產生的電壓噪聲的rms；該方法具體步驟包括如下：

2.根據(jù)權利要求1所述的基于多芯粒pdn阻抗曲線的電壓噪聲rms預測方法，其特征在于，步驟1中所述理想矩形窗的psd是由下式得到的：

3.根據(jù)權利要求1所述的基于多芯粒pdn阻抗曲線的電壓噪聲rms預測方法，其特征在于，步驟2中所述梯形波的psd是由下式得到的：

4.根據(jù)權利要求3所述的基于多芯粒pdn阻抗曲線的電壓噪聲rms預測方法，其特征在于，所述的四階貝葉斯-湯姆森濾波器如下：

5.根據(jù)權利要求4所述的基于多芯粒pdn阻抗曲線的電壓噪聲rms預測方法，其特征在于，步驟3中所述的概率矩陣為以下三種：

6.根據(jù)權利要求5所述的基于多芯粒pdn阻抗曲線的電壓噪聲rms預測方法，其特征在于，步驟3中所述符合不同隨機過程的電流行為的psd如下：

7.根據(jù)權利要求6所述的基于多芯粒pdn阻抗曲線的電壓噪聲rms預測方法，其特征在于，所述的矩陣t1、t2的自相關權重分別由下式得到：

8.根據(jù)權利要求6所述的基于多芯粒pdn阻抗曲線的電壓噪聲rms預測方法，其特征在于，步驟4中所述的電流經過pdn后電壓噪聲的psd是由下式得到的：

9.根據(jù)權利要求8所述的基于多芯粒pdn阻抗曲線的電壓噪聲rms預測方法，其特征在于，所述的pdn的阻抗曲線功率的分貝值由下式得到：

10.根據(jù)權利要求9所述的基于多芯粒pdn阻抗曲線的電壓噪聲rms預測方法，其特征在于，步驟5中所述的時域電壓噪聲的rms是由下式得到的：

技術總結
本發(fā)明公開了一種基于多芯粒PDN阻抗曲線的電壓噪聲RMS預測方法，其具體步驟為計算理想矩形窗的PSD，由理想矩形窗的PSD與四階貝葉斯?湯姆森濾波器得到梯形波的PSD，通過概率矩陣以及梯形波的PSD得到符合不同隨機過程的電流行為的PSD，利用電流行為的PSD以及PDN的阻抗曲線計算電流經過PDN后電壓噪聲的PSD，使用CPS中包含單芯?；蚨嘈玖鼍跋碌碾妷涸肼暤腜SD預測其對應的時域電壓噪聲的RMS。本發(fā)明得到的評估結果更為貼近實際的電壓噪聲波動波形，提高了評估PDN設計質量的效率，在評估PDN設計質量上有著更為廣泛的應用空間。

技術研發(fā)人員：初秀琴,袁海悅,王君,吳楓,羅玉煥,韋濤,黃禹豪
受保護的技術使用者：西安電子科技大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/21