版主信息与通信 2024-04-02

沐创大讲堂第十期|面向高性能芯片的集成供电技术进展与应用

各位小伙伴们

又到了新一年生机勃勃的春天啦

从2021年12月第一期推出至今

《沐创大讲堂》已经陪我们走到第四个年头啦

本期我们请到了清华大学

集成电路学院EDA教研室的刘效森教授

为大家带来

面向高性能芯片的集成供电技术进展与应用

引言：

“后摩尔时代”，“功耗墙”的存在已成为制约全球五千多亿美元市场规模的集成电路产业演进的根本挑战。如何破局，已成为学术界和产业界共同关注的焦点。且听刘教授剖析如何解决高性能集成供电架构这一核心科学问题，了解更多从低功耗移动端到大功率高性能计算等不同应用场景的电源管理技术方案与发展趋势。

Part 1

报告开篇，刘教授直入主题，介绍了传统功率转换面临的性能瓶颈与博弈困境。随着“后摩尔时代”的到来，传统通过改进工艺或者电路结构来榨取算力性能的发展模式已经很难持续，即便通过芯粒、先进封装等构建超大规模集成芯片，在实际应用中却很难提供足够的电能来供给这些负载同时进行运算，从而导致了严重的硬件浪费并形成算力瓶颈，这种现象被称为“功耗墙”。

针对“功耗墙”问题，产业界和学术界也提出了多种解决方案。比如把集成电路做的更小，从而减小每一比特的能量消耗；比如提高集成度，实现在更小的体积内完成算力的计算，从而降低能量的消耗。

但上述方案均存在相同的痛点：由于效率、功率密度、电压转换比三者之间难以调和的矛盾，长期使得功率密度难以突破1A/mm²，造成了对总功耗需求的快速增长，但功率密度和输出能力还徘徊在小安培每平方毫米的基础上，对整个系统的算力影响巨大，从根本上阻碍了集成电路运算性能的演进。

当前，电源管理的速度与芯片算力存在着深度绑定关系，那么，未来我们理想的先进供电到底是怎样一种状态呢？我们相信随着DVFS加速计算在系统级芯片（SoC）中的应用，需要突破传统电源地工作频率的桎梏，研发高速响应欠压并精确调整的控制技术，提升系统级效率、释放算力。

Part 2

随后，刘教授在报告中重点介绍了下一代高性能功率集成于电源管理技术。

数字化全集成电源管理（IVR）共性平台技术

刘教授以为NVIDIA P100架构供电的例子为切入点，展开了讲解。NVIDIA P100架构总功耗达到350W，如此高的功耗显然不能依靠单个电源管理芯片来完成供电，必然需要集成多颗电源管理芯片来共同完成供电，同时快速响应负载的变化，传统的电压控制模式无法实现，那么如何解决这种大规模百瓦级的供电呢，我们必须对每一个电源管理芯片进行传感，知道每一个电源管理芯片的电流值，当同时知道这颗电源管理芯片的输出电压和输出电流值时，我们才能对其进行精确的控制。

深入研究发现，数字电路的速度会随着先进工艺而不断提升，但模拟电路则无法通过先进工艺不断提升速度，由此可见，数字电路的继续演进是有收益的，基于该结论，我们可以预见高性能电源管理在未来一定是数字化的管理。

面向高性能计算（HPC）的混合型（Hybrid DCDC）供电架构

刘教授介绍到，传统的Buck架构面世至今已有60年，研究至今，其模拟带宽的工作效率无法进一步提升；此外，业界还希望Buck架构能够同时达到耐压高、输出电流大、响应速度快的效果。在上述两大需求的作用下，对传统Buck架构的研究进入了瓶颈期。由此，混合型供电架构应运而生，当下该架构的火热程度从近年ISSCC收录的相关论文数量即可见一斑。

随后刘教授以2019年提出的首款混合型架构为例展开了讲解，该架构也是2019年至今唯一一款最终形成产品的架构。那为什么在混合型供电架构研究领域，每年有如此多的论文成果输出，却始终没有产品落地呢？究其根本是在于其实际应用中的可靠性问题尚未解决。从理论上来讲，混合型架构的性能远优于传统型，但相对应的，其成本也发生了成倍的增长。

高密度电容（High-Density MIM）器件与连续变压（C2VR）电荷泵技术

刘教授介绍到，在过去30-40年间，电荷泵技术是被主流的芯片供电方案放弃的。但在很多其他领域，比如DRAM、显示器的背光驱动等，仍然能见到电荷泵的身影。那么在未来，电荷泵是否会迎来新生，且促使其能力得到提升呢？

首先，需要明确的一点是：电荷泵的能力取决于该器件的工艺。当前，在电容的工艺上取得了非常大的进展，在过去三年里，电荷泵得到了极大的关注。可大胆推测的是，在未来，只要电容的性能足够优异，电荷泵完全可以实现对Buck的取代。

随后，刘教授介绍了MIM电容基本结构，并抛出了这样的问题：未来我们能否在MIM电容性能的基础上实现十倍，甚至百倍、千倍的提升？针对这个问题，在产业界给出了Deep Trench Cap、MIM等不同的方案。如果高密度电容能够处理大电流的浪涌，那么就可以完美替代传统的Buck，当然为了实现这一目标，需要对电容的结构做出改变，让电荷泵能够自由的调压，同时也不伤害效率。上述电荷泵架构给未来的高性能供电打开了非常光明的路线。

LDO与细颗粒度动态压频调节（DVFS）功耗管理技术

刘教授介绍到，在未来LDO也是和SOC强绑定发展的。刘教授对模拟LDO和数字LDO的概念、特性、优势及应用进行了详细讲解。在未来的芯片中，既需要数字LDO进行快速调压及功耗的管理，又需要模拟LDO发挥其抗噪的能力。

随后刘教授讲解了LDO在信息安全领域的应用，我们在使用了电源管理芯片后，其侧信道将其内部的0/1信息发送出来了，从而非常容易反馈出负载接收的指令是什么，从而破解负载的AES，即我们可以通过观测供电的波动来破解密钥。针对这种情况，我们对模拟LDO和数字LDO在数字控制的同时进行加密，不仅是传统控制PID的加密，甚至给LDO注入掩盖码，把加密的算法不仅应用在加密引擎上，对电源管理的控制信息也要进行随机化，从而实现安全性1800倍的提升。