大功耗芯片内电源MIM电容的应用及其电源完整性的收益
大功耗芯片内电源MIM电容的应用及其电源完整性的收益
随着人工智能和大数据应用的快速发展，对计算资源的需求日益增长。在芯片设计中，如何保证电源完整性成为了一个重要挑战。本文将探讨MIM电容在大功耗芯片电源设计中的应用及其带来的收益。
芯片电源完整性的挑战
近年来，随着人工智能和大数据应用的发展，基于大数据的挖掘和处理对计算资源和能力提出了更高的要求。对于半导体技术而言，随着工艺制程的演进，晶体管栅极channel沟道逐渐变小，然而电源电压也在逐渐变低。在决定芯片性能时，一个稳定性好的电压变得尤为重要。
在高频高速应用中，为了支持多核CPU、GPU、NPU的性能需求，需要对芯片的电源PI性能进行特别设计。在运行某些复杂的场景下，快速的电流波动可能导致电源无法快速响应，从而产生电压drop。这个电压drop与电源网络的无源特性有关，往往是寄生电感和电容产生一个固定的谐振频率。
对于HPC（高性能计算）应用，设计稳定的全链路PDN（电源分配网络）极具挑战性。特别是在HPC和网络类芯片中，电流需求往往高达数十安培，因此PI（电源完整性）的设计方法显得尤为重要。
MIM电容在芯片设计中的应用
在实际芯片设计过程中，不太可能插入片上MOS电容来优化重载下产生的power noise。为了克服PI问题，MIM（金属-绝缘体-金属）电容是一个不错的候选对象。MIM电容由一层薄的绝缘体和两层金属组成。
插入的MIM层需要通过考虑MIM插入效率来决定。因为MIM电容器的形状和MIM过孔数量受到设计规则的限制，这些规则与现有的极其密集的电源过孔和金属栅格有关。在某些情况下，可能需要移除一些电源孔和调整电源带的间距，这些改动可能会影响static IR drop、Dynamic voltage drop、electro-migration等指标。因此，芯片中插入MIM电容的方式结构都需要重点考虑。
MIM电容的结构
MIM电容的结构是由一层绝缘体和其上下两层金属组成。设计时需要考虑一些spacing rules，这些rules可能会影响到电源孔的数量以及电源孔与MIM孔的spacing。
结论
MIM电容作为一种新型的去耦电容解决方案，在芯片设计中具有重要的应用价值。它可以在保证芯片性能的同时，有效解决电源完整性问题。随着芯片工艺的不断演进，MIM电容的应用前景将更加广阔。