电磁仿真和3 d-ic插入器

由马特·外墙、朱利诺Mologni和皮特Gasperini

今天的3 d集成电路(3 d-ic)技术经过40年的大学和研究实验室遍布世界各地。动态随机存取存储器(DRAM)部署开始出现在市场十年前,3 d-ic已经扩大了覆盖范围。现在果断开始通过其他方式实现的延续摩尔定律:提供更多的功能和性能相同或更小的足迹。在插入器技术是一个关键元素,它提供了机械手段堆栈死而促进其垂直互连方案没有侵犯的性能。

图1:3 d-ic PCB设备。

这将是一个描述将插入器只是一个包底物进入竖直维度。插入器与多层复杂结构——独立电源和地面路由网,连同tsv (thru-silicon通过)衬垫。所有这些特性都纳入IC制造工艺。

插入器分析挑战需要考虑
有一些重要的因素时要考虑插入器的评估方面。显著区别传统有机包底物和插入器,后者支持元素更好的维度和更加详细的包装更多的功能时可以良性到相同的足迹。然而,当功能非常小而密集,multi-physics电气和热可以特别重要的影响。频率依赖影响的材料会造成严重的耦合风险。硅衬底本身组成的,也往往是有些损耗。由于这种情况下,插入器能在概念上被视为一个整体发展,使用一个集成电路的过程。

上面的残余,插入器清单相同的潜在来源问题观察到有机包和PCB水平关于信号和电源完整性。信号的整合和配电网络的插入器主要是为了防止电磁干扰(EMI)和寄生现象——一个特定的祸害的高性能设计采用3 d-ic包装。

的一个例子3 d-ic和插入器的关键作用是通用的实现高性能CPU支持指令和数据内存架构(参见下面的图2)。的并行转换器到连接和高带宽内存(HBM) 2/3核心内存I / O L0-L4数据和指令缓存由chiplet呈现最大限度地有效叠加高插入器的功能。

图2:Multi-chiplet CPU设计。

但3 d-ic包装技术,虽然芯片行业提供巨大的可能性,饱受不足支持电子设计自动化(EDA)电磁仿真软件。大多数工具做他们可以详细的GDS的输入和努力去实现一些温和的水平的性能和精度。然而,这些产品很难执行模拟在这个规模的复杂性用人(有时隐藏)简化或幕后分治技术,它需要许多耗时的迭代解达到边际接受之前。

实现系统级、可伸缩和优化3 d-ic EM模拟
必须接受现实,3 d-ic是一个最困难的电磁仿真来解决今天的问题。这是一个反响从3 d-ic硬件的快速发展,其合成复杂超过许多EM软件模拟器的能力妥善支持它。EDA提供能够上升的场合,它必须满足以下条件:

1. 模型的设计和其在足够详细的操作环境。
2. 由此产生的模型的仿真必须快速和高精度。
3. 工作流必须提供的手段,模拟运行时可以快速收敛于最优解对于一个给定的规范。
4. 工作流必须实现模拟在一个更大的系统上下文,包括在包和PCB层面,准确地捕捉到新兴市场的影响。

我们需要的是一个解决方案,是系统级的,高度可伸缩的,跨多个设计参数优化的能力。

Ansys提供的方法包括一个基本模型的插入器一套基本的设计参数与Ansys结合使用基于电磁仿真软件和Ansys optiSLang优化软件。模拟的复杂问题需要多方面的方法,正如我们下面的细节。

模型本身包含一个插入器300纳米二氧化硅基质,配有两死、电力和地面网和tsv数组。一种自适应频率的频率扫描范围从0-40GHz设定为10 ghz。提供了一个图形化的描述下面的图3。

图3:基本的插入器的CAD表示模型。

该模型适应支持去耦电容等附加功能。它也可以被纳入一个模拟扩展,以包含完整的包,以及使用基于PCB(下图)。

基于的可伸缩性是正确模拟插入器的关键。基于可伸缩的弹性解算器技术使一个系统要解决跨网络机器没有妥协,因此不需要使用一个单一的共享内存和大型工作站。基于尺度从微观到宏观,所以它可以解决从融合网格模型组装,已经适应了几何和电磁学和比例从3 d-ic包,多氯联苯,路由器和服务器的船只,字面上从芯片到船。

基于三维布局捕获插入器模型的细节,提供关键的建模与仿真支持在这些维度使用三维有限元网格,用于精度。组件库基于3 d布局包括对象,如通过,蚊帐,整个垂直组装的功能分层盘旋飞行。

此外,基于本身的基本参数自然容易与多个变量模拟基本的插入器模型。在这个例子中,插入器模型配置为支持六个变量——信号和功率跟踪宽度,TSV的半径和插入器撞,插入器Vdd孔径和通过的直径。当然,这些可以根据需要修改或扩展对于一个给定的应用程序。

一个智能指导迭代计划需要优化参数。这就是optiSLang进入工作流。Ansys optiSLang是一个AI-driven工具创建一个实验设计的参数标准。它收敛于最优解通过学习从每个self-executed模拟运行,学习自己的相对重要性和重量参数。这将导致一个更高效的路径优化多变量仿真解决方案。5 x改善仿真时间是典型的使用optiSLang时。

图4:一个元模型的最佳预后OptiSLang(拖)。

基于和optiSLang也支持分布式计算仿真加速度通过任务并行化,进一步提高仿真周转时间。

场后处理是一个被忽视,但在完成复杂的电磁设计中至关重要的一步。基于使设计师能够直观地观察发生了什么他们字段在一个给定的频率范围更清楚地感知波传播及其影响。这种与基础插入器模型的一个例子如下所示。

图5:电磁波传播在基础插入器模型(基于3 d布局)。

最后一步设计批准使用基于模拟插入器,包和PCB在一个完全耦合的全波仿真使用基于网格融合。

图6:全波网融合系统级基于模拟。

替代方法插入器电磁仿真证明了不满意,因为他们无法规模,优化对多个变量,有效地解决了电磁仿真的实际时间和满足全部性能硬件的可能性。这就是为什么Ansys实现parametric-driven模拟器AI-instigated优化和后期处理分析的支持。

Ansys是由工作流设计自动化会议在旧金山7月10 - 14。参加演示的更多信息“电磁建模的信号完整性分析chiplet设计”,基于Ansys高级产品经理马特Commons DAC布斯在11 # 1539,周三,7月13日^th。飞跃的确定性在Ansys DAC。寻找更多的技术信息在剩下的夏天。

朱利诺Mologni Ansys高级产品经理。

皮特Gasperini是电子产品营销经理业务单元在有限元分析软件。