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  1. VLSI Physical Design에서 Power Ring이란? Power Stripe란?
10 January 2025

VLSI Physical Design에서 Power Ring이란? Power Stripe란?

반도체 설계에서 전원 공급 네트워크(PDN, Power Delivery Network)는 칩의 안정성과 성능을 보장하는 데 매우 중요한 역할을 합니다.

그중에서도 Power Ring과 Power Stripe는 효율적인 전력 분배와 신뢰성 있는 전원 공급을 위해, 회로의 Physical Design 단계에서 반드시 고려해야 할 핵심 요소입니다.


Power Ring이란?

PAD에서 시그널 받고,

Power Ring은 칩의 외곽을 따라 형성된 전원(VDD)과 접지(Ground) 배선 구조입니다. 일반적으로 두 개의 링 형태로 존재하며, 하나는 전원을, 다른 하나는 Ground를 담당합니다.

Power Ring은 칩 내부의 전력망(Power Grid)과 외부 패키지 혹은 Bond Pad를 연결하는 매개체 역할을 합니다.

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위 그림 하나 갖고 설명할건데, 그 이유는 주입식으로 머리에 넣기 위해?

이 글 하나 읽으면, 최소한 용어 자체는 다 익히시게 될겁니다.

전력 전달 네트워크(PDN)에서 PAD, Power Ring, Power Stripe, Rail, Trunk는 서로 협력하여 칩 내부의 전원 공급을 안정적으로 구현하는 핵심 구성 요소입니다.


  1. 전력 전달 네트워크의 계층적 구조

칩의 전원 공급은 계층적으로 구성됩니다. 이 계층 구조는 전력 전달을 더 효율적으로 설계하고 관리하기 위함입니다.

PAD: 외부 전원을 수신하여 칩으로 전달하는 시작점.

Power Ring: 칩 Boundary 쪽에 배치되어 전원을 균일하게 분배.

Trunk: Power Ring과 Power Stripe 사이를 연결

Power Stripe: 칩 내부 블록으로 전력을 세부 분배.

Rail: 각 회로의 셀 단위로 전력을 공급.


  1. 구성 요소 간의 역할과 관계

(1) PAD란?

역할: 외부 패키지(BGA, Flip-Chip, Bond pad, Bump 등)에서 들어오는 전원을 칩 내부로 전달.

연결: PAD는 패키지 핀이나 Bump와 연결되며, 칩 내부에서는 Power Ring과 직접 연결됩니다.

전원 흐름: Chip package → PAD → Power Ring

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(2) Power Ring란?

역할: PAD에서 들어온 전원을 칩 외곽에 균일하게 분배. Power Stripe와 Trunk를 통해 내부로 전달합니다.

구조: 칩 외곽에 형성된 전원(Ring VDD)과 접지(Ring GND)로 이루어집니다. 공정마다 다른데, 주로 특정된 메탈 레이어가 사용됩니다.

전원 흐름: PAD → Power Ring → Trunk​

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(3) Trunk

역할: Power Ring에서 내부로 전력을 전달하는 주요 전력 경로. Power Stripe로 분배하기 전, 여러 Power Stripe를 연결하는 대규모 라인입니다.

구조: 칩의 주요 영역을 가로지르는 굵은 금속 라인으로 설계.

사용 사례: 특히 전류 소모가 많은 고성능 회로(Core, PLL 등)에 안정적으로 전력을 공급.

전원 흐름: Power Ring → Trunk → Power Stripe​

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(4) Power Stripe

역할: Trunk에서 받은 전력을 내부 회로 블록에 세부적으로 전달.

구조: 칩 내부에 걸쳐 일정 간격으로 배치된 가로, 세로 형태로 이루어진 Metal line

특징: Grid 구조로 배치되어 전류 경로를 다중화. 여러 금속 층을 통해 IR Drop 최소화. 전류 밀도를 분산시켜 과열 방지.

전원 흐름: Trunk → Power Stripe → Rail

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(5) Rail

역할: Power Stripe에서 전력을 받아, 셀(Cell) 단위로 전력을 공급.

구조: Cell의 Power pin에 Routing 될 Metal line. 각각의 셀이 VDD와 GND를 공급받을 수 있도록 설계된다.

특징: Rail은 Standard Cell Pitch에 맞춰 최적화되며, VDD/GND 라인을 번갈아 배치하는 구조를 가진다.

전원 흐름: Power Stripe → Rail → Cell 내부 회로

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생각해보면, Inverter든 어떤 Cell들이든, Layout을 열어보면,

이런 VDD, VSS 라인이 Rail이 되는거고, 이게 동일한 Y좌표 상으로 배치되는 것입니다. 이런 정보가 P&R Tool에서는 LEF 같은 파일에 들어있습니다.

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그래서, Place 후 Legalization 하고나면, 아래처럼 특정 Y-axis 값들에서만 cell들이 배치되게 됩니다.

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더 하고 싶은 이야기는 많지만, 간단히 말하면,

(1) PAD, Power Ring, Trunk, Power Stripe, Rail 설계를 할 때에 다양한 최적화 방법이 있다.

(2) Standard cell간 Y-axis 거리는 늘 일정하게 유지되는데, X-axis 거리는 약간 차이가 있다.

그래서 (1)을 고려하는 Chip design methodology가 있고, (2)를 고려하는 Circuit design methodology가 있다.

(1)은 검색하면 Google에 많이 나오고, (2)의 경우에는 삼성과 Intel 논문이 많이 나와있다. 이런것들을 다 고려하여, 실제 반도체와 시뮬레이션 간 괴리를 줄여나가고 있음.

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