芯片電源噪聲的時間上和空間上的相關(guān)性

為了考慮電源/地噪聲在時間上的影響，靜態(tài)時序分析通常假設(shè)一個恒定（DC）電壓降， 例如，最大的電壓變化，適用于所有門。該方法是有效的，但是沒有系統(tǒng)的方法確定該電壓降值不樂觀或過于悲觀。當最大電壓降適用于所有門時，估計的時間太悲觀，這導(dǎo)致時間的收斂性問題以及保險設(shè)計。為了解決這個問題，執(zhí)行時序分析就需要考慮動態(tài)電壓變化，有必要獲得或假設(shè)最糟糕的噪聲。盡管尋找最糟糕的噪聲用于時序是非常困難的，設(shè)計者必須保證設(shè)計電路在制定的目標頻率下工作。因此一種用于預(yù)測最糟糕情況下時序的系統(tǒng)級技術(shù)是必須的。

伴隨著電源噪聲的時序分析的一個難點是最大的電壓降并不一定導(dǎo)致最壞的延遲。電源電壓在一個時鐘周期內(nèi)變化。 單獨觀察電源噪聲一定不能檢測由電源噪聲引起的時間故障， 因為時間依賴于關(guān)鍵路徑的位置。

電壓波形的變化相應(yīng)的改變了電路延遲。下圖概括了電壓下降的空間差異對電路延遲的影響。實線代表了A區(qū)的電源噪聲，虛線則代表了B區(qū)。假設(shè)A區(qū)有一個關(guān)鍵路徑。A區(qū)電壓明顯下降，因此電路延遲受到影響。另一方面，如果關(guān)鍵路徑位于B區(qū)，則電路延遲的增加沒有A區(qū)有關(guān)鍵路徑時嚴重。

電壓的時間差也會影響電路延遲，將在下圖中進行介紹。時間差包含一個時鐘周期內(nèi)兩個時間點的差和兩個時鐘周期之間的差。實線代表了時鐘周期（c）的電源噪聲，虛線代表時鐘周期（d）的電源噪聲。假設(shè)關(guān)鍵路徑的一個門位于圓內(nèi)，當門的開關(guān)時間在一個時鐘周期的開始時，時鐘周期（c）的電路延遲顯著增加；另一方面，當門的開關(guān)時間在時鐘周期后半部分時，電路延遲相對較小。相反，在時鐘周期 d），在兩個時間點的延遲增加的趨勢是相反的；即時鐘周期后半部分延遲增加更大，這意味著后半部分電壓下降比時鐘周期（c）需要考慮得更仔細。因此一個時鐘周期內(nèi)的電壓波動更能影響門延遲或者沒有那么大，這取決于開關(guān)時間，這里的開關(guān)時間是由電路結(jié)構(gòu)決定的。

 

在一個時鐘周期內(nèi)和內(nèi)部時鐘周期動態(tài)噪聲改變了緩沖器延遲和組合單元延遲，然而動態(tài)時鐘跳動和單元延遲變化在時序分析中沒有好好考慮。下圖說明了在時間驗證中的問題。 在時間裕度計算中，路線擴展到上面以包含時鐘緩沖器。上面的路徑軌跡代表從時鐘源到捕捉數(shù)據(jù)信號觸發(fā)器的信號傳播。觸發(fā)器終止了較低的路徑，跟蹤它的信號是在上面路徑軌跡的下一個時鐘周期內(nèi)傳播。在門延遲計算中電壓波動重疊需要考慮在內(nèi)。因此在兩個連續(xù)時鐘周期的動態(tài)行為必須適當建模，空間噪聲的區(qū)別也必須考慮在內(nèi)。

電源噪聲的時間和空間的相關(guān)性    

為了準確地理解噪聲對時間的影響，理解并適當?shù)奶幚黼娫丛肼暤南嚓P(guān)性是非常重要的接下來將討論電源噪聲是怎樣在時間和空間上相互關(guān)聯(lián)的。

這里展示了電源噪聲在空間上高度關(guān)聯(lián)的一個例子，實驗分析了一個浮點單元（FPU） 電路在1mm×1mm面積內(nèi)的電源噪聲并設(shè)置了10×10個變量，將空間劃分成10×10個網(wǎng)格。每個變量代表每個網(wǎng)格VDD一邊的時鐘周期平均電源電壓。上圖是變量之間相關(guān)系數(shù)的柱狀圖?？梢园l(fā)現(xiàn)變量之間高度相關(guān)，36.2%的系數(shù)在0. 9以上，然而當用所消耗的電流代替電源電壓作為變量時，變量之間的相關(guān)性低于電源電壓，如下圖所示。

盡管在相鄰節(jié)點消耗的電流值并不高度相關(guān)，電源網(wǎng)絡(luò)的阻抗加強了電源電壓的空間相關(guān)性。換句話說，當前繪制的節(jié)點流經(jīng)電源網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)線段部分時，因此線部分的電源噪聲是相關(guān)的，因為常見的電流組件，隨著連線間距變大，由于內(nèi)在RC濾波器和常見的電流組件部分的下降導(dǎo)致的電流波形改變，相關(guān)性變?nèi)?。因此電源噪聲有局部空間相關(guān)性，將在下圖中進行演示，在這種情況下，92.8%的系數(shù)超過0.9。  

 

電源噪聲空間上被分成了10×10個且暫時劃分在一個時鐘周期，分為10段，然后變量就被分配完了。時間相關(guān)性是由同一地區(qū)的變量和不同的時間跨度之間相關(guān)系數(shù)組合得到的。時間相關(guān)性的柱狀圖如下圖所示，揭示了電源噪聲值有很強的時間相關(guān)性。

如下圖所示，一旦電壓降出現(xiàn)了，電源電壓不能恢復(fù)額定電壓。這是因為給鄰近的開關(guān)門提供電荷的寄生電容和去耦電容是必須的，它們的再充電RC時間常數(shù)通常跟時鐘周期相差無幾，電流損耗有一定的時間相關(guān)性。