【導(dǎo)讀】每當(dāng) CMOS VLSI 設(shè)計(jì)中的邏輯電路切換狀態(tài)時(shí)，都會(huì)消耗一些電能，因?yàn)榫w管電容會(huì)充電到定義的邏輯電平。雖然我們希望功耗盡可能小，但微小的功耗也會(huì)導(dǎo)致許多邏輯電路在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生巨大的動(dòng)態(tài)功耗。在設(shè)計(jì)器件時(shí)，必須估算芯片在運(yùn)行過程中以熱量形式耗散的電能。這樣做的目的是確定以下事項(xiàng)：必要的冷卻措施、對(duì)散熱器的潛在需求、是否應(yīng)包括裸露的接地焊盤，或者是否需要通過特殊封裝來確保可靠性。
本文重點(diǎn)
通常情況下，我們可以通過人工或使用仿真工具來計(jì)算邏輯電路中單個(gè)門的功耗。
但是，當(dāng)多個(gè)邏輯電路在運(yùn)行過程中進(jìn)行翻轉(zhuǎn)時(shí)，直接計(jì)算功耗就比較困難。
如果能夠可靠地估算功耗，就可以在熱仿真中使用此估算值來評(píng)估可靠性并確定合適的封裝。
每當(dāng) CMOS VLSI 設(shè)計(jì)中的邏輯電路切換狀態(tài)時(shí)，都會(huì)消耗一些電能，因?yàn)榫w管電容會(huì)充電到定義的邏輯電平。雖然我們希望功耗盡可能小，但微小的功耗也會(huì)導(dǎo)致許多邏輯電路在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生巨大的動(dòng)態(tài)功耗。在設(shè)計(jì)器件時(shí)，必須估算芯片在運(yùn)行過程中以熱量形式耗散的電能。這樣做的目的是確定以下事項(xiàng)：必要的冷卻措施、對(duì)散熱器的潛在需求、是否應(yīng)包括裸露的接地焊盤，或者是否需要通過特殊封裝來確保可靠性。
集成電路的估算技術(shù)涉及在邏輯仿真或電氣仿真中檢查核心邏輯。結(jié)合使用這兩種方法，通過估計(jì)給定時(shí)間間隔內(nèi)影響總散熱量的邏輯元件總數(shù)，粗略估計(jì) CMOS VLSI 產(chǎn)品的功耗。
估算設(shè)備的切換活動(dòng)和功耗
現(xiàn)代集成電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，估算 VLSI 設(shè)計(jì)中的功耗并非易事。這些產(chǎn)品包含多個(gè)邏輯塊，其中一些邏輯塊獨(dú)立運(yùn)行，在任意給定時(shí)間內(nèi)可能僅有部分邏輯塊在工作。雖然兩個(gè)不同的比特流可能承載相同的輸入功率，但這并不一定意味著在所有情況下都會(huì)產(chǎn)生相同的翻轉(zhuǎn)。邏輯輸入接收到的不同比特流將激發(fā)設(shè)計(jì)中的各種信號(hào)變化，從而產(chǎn)生不同的功耗。
既然功耗在很大程度上取決于集成電路的輸入數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)，那么必須使用一些基于邏輯仿真器的概率方法來確定信號(hào)切換活動(dòng)。邏輯元件在切換期間也會(huì)產(chǎn)生功耗。邏輯元件功耗的計(jì)算公式如下：
基于漏極電壓 (Vdd) 和切換速度的邏輯元件總功耗
這里的 C 代表切換邏輯電路中充電/放電的總電容。電壓項(xiàng)指的是 PDN 提供的漏極電壓（標(biāo)稱值）。漏電電流通常被忽略，盡管它在熱仿真中至關(guān)重要（見下文）。需要注意的是，這是無功功率：以熱量形式耗散的電能取決于結(jié)中的導(dǎo)通電阻，可以使用構(gòu)成邏輯元件的晶體管的精確 SPICE 模型來進(jìn)行仿真。
雖然速度不是最快的，但可以比較全面的確定平均信號(hào)變化的方法是使用蒙特卡洛仿真并對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在掌握平均翻轉(zhuǎn)（例如，每個(gè)時(shí)鐘周期消耗電能的邏輯元件的平均數(shù)量）后，可以將這個(gè)值乘以每個(gè)邏輯元件的預(yù)期功耗，從而獲得總功耗。由于邏輯元件具有內(nèi)部電阻，其中一小部分將以熱量的形式耗散。
在擁有數(shù)十億個(gè)晶體管的現(xiàn)代微處理器中，這會(huì)產(chǎn)生大量熱量，因此設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)行仿真評(píng)估。
如何利用功耗估算值
在獲得動(dòng)態(tài)切換的功耗估算值后，就可以使用該值進(jìn)行電路仿真或器件熱仿真，檢查封裝和電路板特性如何影響從器件到周圍的電路板、空氣和任何散熱器的熱傳遞。這些封裝級(jí)仿真有助于初步的可靠性評(píng)估，并可能促使設(shè)計(jì)人員在做原型設(shè)計(jì)之前進(jìn)行一些更改。
考慮到這種情況一般發(fā)生在 VLSI 設(shè)計(jì)階段，因此通常無法準(zhǔn)確體現(xiàn)設(shè)計(jì)封裝。但是，這依然為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，他們可以評(píng)估不同類型的封裝，預(yù)測在各種條件下可能出現(xiàn)的平衡的溫度。這類可靠性仿真通常使用場求解器來完成，有時(shí)是涉及空氣流動(dòng)的多物理場問題，有時(shí)是利用熱方程計(jì)算的簡單溫度仿真。
根據(jù)預(yù)期的信號(hào)變化評(píng)估功耗后，便可進(jìn)行封裝仿真。設(shè)計(jì)人員可以創(chuàng)建最壞情況場景，估算散熱和溫升，進(jìn)而評(píng)估產(chǎn)品的可靠性。
對(duì)于芯片設(shè)計(jì)師來說，因?yàn)樾枰崆霸u(píng)估封裝，所以必須在原型設(shè)計(jì)之前進(jìn)行這些仿真。就像封裝底部的熱焊盤一樣，一些簡單的封裝元件可能會(huì)對(duì)工作溫度產(chǎn)生很大的影響。通過使用更有效的系統(tǒng)分析軟件，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以在簡化的工作流程中執(zhí)行這些關(guān)鍵任務(wù)，將它們作為芯片設(shè)計(jì)和可靠性評(píng)估的一部分。
在 VLSI 設(shè)計(jì)中，一個(gè)重要的考慮因素是設(shè)備在高溫下運(yùn)行時(shí)的漏電電流。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，核心邏輯中的高速翻轉(zhuǎn)可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備溫度升高，直到漏電電流占據(jù)設(shè)備中以熱量形式耗散的大部分電能。這種升溫可能會(huì)導(dǎo)致熱失控，最終使芯片燒毀并失效。考慮到這個(gè)因素會(huì)影響設(shè)備中相應(yīng)的絕對(duì)最高溫度，在仿真中需要檢查它所帶來的可靠性問題。
借助 Cadence 的全套系統(tǒng)分析工具，使用信號(hào)切換來估量設(shè)備的功耗變得更加簡單。VLSI 設(shè)計(jì)師可以評(píng)估其產(chǎn)品的可靠性，并根據(jù)需要實(shí)施獨(dú)特的封裝選項(xiàng)，以應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)中的功耗和溫升問題。Cadence Celsius EC Solver 技術(shù)旨在幫助電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師快速準(zhǔn)確地解決當(dāng)今最具挑戰(zhàn)性的熱/電子產(chǎn)品散熱管理問題。Celsius EC Solver 可以分析復(fù)雜電子系統(tǒng)的流體流動(dòng)和傳熱。該軟件使用專有的多層次非結(jié)構(gòu)化（MLUS）網(wǎng)格劃分技術(shù)來解決對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射問題，可以分析電子組件、外殼和電力電子中的氣流、溫度和傳熱，求解自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流、太陽能加熱和液體冷卻問題。
文章來源：Cadence楷登PCB及封裝資源中心
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