ونظرا لأن المجهزات الصغرى تتقلص إلى فترات طويلة من مراحل عملية التموين وتعمل في ترددات أعلى، فإن التحدي المتمثل في توفير الطاقة النظيفة والمستقرة والفعالة قد أصبح واحدا من أهم الاختناقات في تصميمات شبه الموصلات، فشبكة توليد الطاقة لم تعد نهاية خلفية سلبية بعد التفكير؛ وهي جزء نشط ومتكامل من هيكل الرقائق الذي يؤثر مباشرة على الأداء، والابتكارات الحرارية،

مؤسسات توليد الطاقة في الأجهزة الحديثة

وتشمل شبكة PDN كل عنصر بين مصدر الطاقة الخارجية وبوابات المترجم داخل الموت: وحدات تنظيم الفولط، ومكثفات السوائب والفصل، والربط بين الطرود، وشبكات الطاقات المتفرقة على مدى العمر، ومئات الملايين من قوارير المايكروسكوبتر والتتبعات التي تتجه نحو خلايا منطقية، ويجب أن تحتفظ الشبكة بحجم ثابت تقريبا (0.6 من المقطعي).

ومقياس الأداء الرئيسي لجهاز PDN هو ملفه الشخصي عبر الترددات، حيث إن شبكة منخفضة التبسيط (تحت درجة 1 متراً في نطاق 10 ميغاهيرتز - 1 غيغاهيرتز) تضمن أن تعطل الفولط خلال مرحلة الحمل المفاجئة لا يزال في حدود هامش مقبول - أقل من 5 في المائة من حجم الإمدادات، وأي انحراف خارج تلك النافذة يمكن أن يتسبب في حدوث انتهاكات للمواعيد أو أخطاء منطقية أو حتى في حدوث أضرار دائمة.

Innovations in On-Die Regulation: Integrated Voltage Regulators

ومن أهم التطورات التحويلية إدماج تنظيم الفولطية مباشرة في نظام التصريف المصغر، حيث يزيل المنظمون المتكاملون للفولط الطريق الطفيلي الطويل بين إدارة المخاطر في المنطقة والحمولة، ويقطعون الموصلات بأوامر من الحجم، وهناك نهجان معماريان أساسيان في عمليات الفرز: محولات المذيبات المتحولة ومحولات البطاطس المتكاملة تماما.

مقسماً إلى مركز العمليات

وتستخدم أجهزة تنظيم الكوابيس المقسمة شبكة من أجهزة الاستنشاق بالأشعة فوق البنفسجية ومفاتيح تحويلات التعبئة (مثل 1.8 خامسا) إلى الفول الأساسي المرغوب فيه، لأن أجهزة الاستنشاق يمكن أن تلفيقها باستخدام عمليات التصميم الموحدة ذات الكثافة العالية (استخدام هياكل الخنادق أو نظام MIM) التي توفر هذه المحولات نسبة عالية من الكفاءة إلى 90 في المائة.

مترجمون متكاملون

ويضم محولات البطاطس في الهواء أيضا، ويستخدم عادة موصلات الهواء أو المغنطيسيات التي تبنى في كومة الاتصال المشتركة، بينما تعاني قطعان الهواء من كثافة خطية منخفضة، فإن استخدام مواد مغناطيسية خفيفة الحجم (مثلاً في المناولة الثنائية - الزركونيوم - المزودة بأجهزة غسيل متعددة) قد مكّن الموصلات التي تزيد على 100 ميغاهيد/م2.

ويتيح هذا النظام الانتقالي للكهرباء الدينامية الأساسية الحقيقية للفولط والتوسع في الترددات، حيث يمكن لكل نواة من وحدات الاتحاد أن تعمل في فولت وتواتر مستقلين، وهذه الرقابة الرجولية تقلل بشكل كبير من الطاقة المهدرة: يمكن إسقاط النواة الخبيثة إلى فولات قريبة من الأرض بينما تتسارع النواة النشطة بسرعة كاملة، وتقترن بالاستجابة السريعة (التصميمات الكبيرة للطاقات الأساسية)

Dynamic Voltage and Frequency Scaling: From Coarse to PerCore fine Control

وشبكة البرمجيات المميتة المتوسطة الأجل ليست جديدة، ولكن تنفيذها أصبح أكثر تطوراً، وقد عدلت نظم الديموفلوروكربون المبكِّرة كامل حجم الرقاقة وتواترها استناداً إلى حجم العمل الإجمالي، الذي عادة ما يكون على مقياس زمني ممتد من ملي ثاني عشر، كما أن أجهزة البرمجيات الصغيرة الحديثة تنفذ موزعة، وأجهزة ذات أحجام متماثلة، وتتفاعل في بضع مئات من الثانية مع التغيرات في التعليمات أو الضغط على الذاكرة.

وتستخدم أجهزة التحكم المتقدمة في إدارة الطاقة الخوارزميات التنبؤية - التي تساعدها في كثير من الأحيان أجهزة الاستشعار الحرارية والحالية - لتوقع عمليات الانتقال في عبء العمل، وعلى سبيل المثال، تستخدم هذه الأجهزة الفولطية الدينامية التي تستخدمها إدارة المخاطر المؤسسية في إطار برنامج الدعم الميداني نموذجاً للتغذية التغذوية يتتبع معالم الأداء لكل مجموعة من مجموعات وحدات الاستهلاك المكلورة بالأشعة، ويكيف طلب الفولط إلى الحد الأدنى قبل حدوثه.

كما استكشفت البحوث الحديثة سياسات الـ دي في إس التي تعتمد على الآلات، حيث دربت ورقة من جامعة ميتشيغان لعام 2023 شبكة عصبية خفيفة الوزن على منافذ أداء المعدات (التعليمات في كل دورة، ومعدلات فقدان الخيوط، وسوء استخدام الفروع) للتنبؤ بزوج التردد الأمثل لكل 100 ميكروغرام من البيوت، وفي شريحة اختبارية قوامها 14 ميلا، حقق متوسطاً للتحكم في الـ 12 في المائة.

المواد المتقدمة للخسائر الدنيا

وتقتصر كفاءة PDN بشكل أساسي على الخسائر المقاومة والحمائية في المواد المترابطة والموجهات، وتستخدم الطاقة التقليدية آثارا نحاسية في خزف مرن منخفض، أو في المناطق الفرعية من مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، بينما تضعف مقاومة النحاس، فإن ارتفاع عدد المواد التي تحشد حاليا (أثر التقريب) يزيد بدرجة كبيرة من تأثيرات المقاومة.

  • Low-loss dielectrics:] Materials such as Liquid Crystal Polymer (LCP) and PTFE based laminates exhibit a dissipation factor (tan —) below 0.002, compared to 0.02 for standard RM-FR-4. This reduces dielectric heating and preserves signalpe control for high.
  • ]Magnetic under-layer for inductors:] Thin films of soft magnetic materials (e.g., Co —Zr —Ta or Fe — Al) applied beneath the inductor windings increase the induct density by a factor of 5-103% without increasing the coiler’s parasitic capac.
  • Graphene —‐enhanced interconnects:] Graphene’s extremely high carrier mobility and current —carrying capacity make it an attractive candidate for on-chip power rails. While still experimental, researchers at MIT demonstrated a graphene-copper hybrid wire that reduced resistanceivity by 15% at 100 nm width compared to pure.

3D Packaging and Heterogeneous Integration

ويغير تمثال ثلاثي الأبعاد للرقاقة باستخدام عبر قنوات الاتصال عبر النسيج (TSVs) والمضخات الدقيقة تغييرا أساسيا في طب طبوي PDN، حيث يقصر جهاز تنظيم الفولطية أو أجهزة التزيين مباشرة تحت أو بجانب ممر الميكروبات، وتقصر المسافة المادية بين مصدر الطاقة والحمولة إلى بضع مئات من الميكروفونات.

(أ) إن مداخلات الوصل النشطة التي تحتوي على أجهزة مضخة متكاملة من الخنادق يمكن أن توفر عشرات من أجهزة النانوفارات من أجهزة التكتل المقطعية المحتوية على مبيد للديوكسينات، في حدود 100 ميكروغرام من النسيج المصممة تحت خط الدايم.

كما يسمح التكامل غير المتجانس باستخدام مختلف مسارات العمليات في دوائر إدارة الطاقة، مثلاً، يمكن بناء منطق التحكم في إدارة المخاطر على عقد نموي بالغ منخفض التكلفة 28 ميلاً بينما تستخدم مفاتيح تبديل الطاقة عقداً أكثر تقدماً مع أدنى مستوى من RDS(on).

على متن الشيكات

ومن أجل التصدي للاختلاط الطفيلي، فإن الأجهزة الحديثة تعمل على دمج القدرة على التحلل بصورة مباشرة على الموت، وهي عملية ذات قدرة عالية على الارتداد، وهي عملية مجهزة بالأشعة فوق البنفسجية، وهي عملية مجهزة بالطبقات الرئيسية التي تعمل بالأشعة فوق البنفسجية، والتي تبلغ كثافة الارتداد فيها 200-500 ناو/م2، وذلك بوضع هذه الكبسولات بالقرب من أجهزة التحويل الحالية

ويمكن أن يؤدي ضخ الطاقة إلى قطع كامل من الدوائر عندما تكون متعطلة - وهو أسلوب أساسي آخر مُمك َّن من تحسين تصميم PDN، وتتكون بوابة كهربائية من مفتاح أو جهاز تحويل متحرك (عادة ما يكون محركاً صغيراً من طراز PMOS أو محركاً من طراز PMOS مع تسرب منخفض) يفصل العقبة عن خط العرض، ويكمن التحدي في تحويل مجمّع إلى آخر يؤدي إلى تيار كبير من الطوابعات العرض المتاخمة يمكن أن تنهارة.

أجهزة تنظيم رقمية ذات قدرة منخفضة على التحلل ومقياس للفولط

وقد اكتسبت القواعد الرقمية المتعلقة بالتمييز على أساس الجنس من مواهب الفولطية المثقوبة التي تتطلب أقل من بضع مئات من الملليمترات، وخلافاً لما يُعرف من هذا النوع، يستخدم قانون مكافحة المخدرات مصرفاً لأجهزة نقل عابرة ذات وزن ثنائي ومراقب رقمي لتنظيم إنتاجية الفولط، والميزة الرئيسية هي أن جهاز التحكم يمكن أن يُجمع بين خطوات الضبط من خلال عمليات تحديد النطاقات الرقمية.

(أ) أن زيادة حجم الطاقة البديلة (AVS) تأخذ درجة الـ دي في إس أبعد من ذلك باستخدام أجهزة الاستشعار على الكتف لقياس التأخير الفعلي للمسارات الحرجة بدلاً من الاعتماد على جدول مركب محدد مسبقاً، ويكيف النظام باستمرار حجم الإمدادات إلى الحد الأدنى الذي لا يزال يفي به هامش عملية تواتر التشغيل الحالية ودرجة الحرارة المغلقة(20).

الفوائد الكمية من التنفيذات الأخيرة

ويُمكن قياس الأثر التراكمي لهذه الابتكارات في رقائق العالم الحقيقي، وقد أظهر مجهز شركة إنتل هاسويل، الذي يُنظمه المتكامل للفولط، انخفاضا بنسبة 40 في المائة في استهلاك الطاقة على مستوى الأداء نفسه مقارنة بالجيل السابق، يعزى إلى حد كبير إلى هامش التكتل الأضيق والتحكم في الموارد الأساسية، وقد حقق هيكل مجموعة الـ (LeTTLE) الكبير، بالإضافة إلى تصميمات الـ دي فيستر وموفور في الطاقة، ووفر في الطاقة، مما أدى إلى تحقيق وفورات في الطاقة النقالة بنسبة 60 في حجم العمل.

وعلى جانب الخادم، تستخدم مجهزات شركة AMD EPYC عدة أجهزة لتنظيم تركيبات في العبوات، ومشغلة متقدمة لإدارة الطاقة تعمل على إحداث زيادة في حجمها في 64 نواة، وتظهر النقاط المرجعية المنشورة تحسينا في كفاءة الطاقة قدره 2.5 x 2 على الجيل السابق في أداء مماثل، وقد أدى التراكم البالغ 3D على حركة النقل البحري دون الإقليمية، واستخدام وحدات خفض الانبعاثات بمقدار 7.5 في المائة من الـ

الاتجاهات المستقبلية: ما بعد سيليكون وضوابط آي - دريفن

وفي المستقبل، تعد عدة تكنولوجيات ناشئة بزيادة تعزيز كفاءة شبكة PDN:

  • Gallium nitride (GaN) power FETS:] GaN devices have lower gate charge and lower on-resistance than silicon MOSFETs, allowing shifting frequencies above 10 MHz with efficiency exceeding 98%. Integrating GaN HEMTs into the package (or directly on the silicon inter size)
  • Integrated magnetics onرق:] Thinfilm magnetic inductors have already been demonstrated by imec and other research laboratories with quality factors above 30 at 100 MHz. Scaling these to higher current densities will enable fully monolithic PDNs with no external components.
  • AI -driven power management:] Deep reinforcement learning agents can be trained to optimize voltage, frequency, and power---gating decisions across hundreds of domains in real time.
  • Quantum material capacitors:] MXene and other 2D materials offer extremely high specific capacitance (up to 1000 F/g) and could be deposited as pal films for on--die decoupling. Their compatibility with CMOS processes is still being researched.

ولا تظهر سرعة الابتكار في شبكات توليد الطاقة في الأجهزة الصغرى علامات تباطؤ، فمع اقتراب أبعاد المترجمين من النطاقات الذرية، ستدمج الشبكة بشكل أكثر تشددا مع النسيج المنطقي، وتتطور من شبكة سلبية إلى نظام ذكي ومفتقر إلى الذكاء، وسيفتح المهندسون والمهندسون المعماريون الذين يتقنون هذه التكنولوجيات الجيل القادم من التحسينات في أجهزة الموجات المزودة بالأجهزة الكهربائية، مما يتيح لكل شيء من الأجهزة الخارجية.

وللاطلاع على مزيد من القراءة، يرجى الرجوع إلى هذه الموارد: