Проектирование интегральных микросхем для технологий 5G с помощью ANSYS

По мере роста цифровых технологий возникает необходимость в быстрой передаче данных. Увеличение глобального интернет-трафика, а также децентрализация центров обработки данных и облачных технологий привели к тому, что проводные и беспроводные сети стали поддерживать сетевую инфраструктуру 5G. Ожидается, что с внедрением 5G количество трафика увеличится в тысячу раз, а скорость передачи данных – в десять раз. Эти системы чрезвычайно сложны и требуют усовершенствования технологий изготовления микросхем. Специалисты компании eSilicon используют ANSYS для численного моделирования и верификации сборки «чип-упаковка-печатная плата».

«Во избежание многомилионных затрат на проектирование и доработку проекта, которые приводят к задержке выхода продукта на рынок и потере прибыли, инженеры eSilicon полагаются на программный комплекс ANSYS для моделирования сборки «чип-упаковка-печатная плата».

При проектировании новейших устройств компании полагаются на общую производительность системы, а не отдельные микросхемы, работающие в соответствии со спецификациями. Для решения этих задач инженеры eSilicon используют специализированные интегральные схемы (ASIC) и компоненты, предоставляемые в качестве интеллектуальной собственности (IP-блоки) для оборудования в сфере инфраструктуры сетей 5G, высокопроизводительных вычислений и искусственного интеллекта. Компания eSilicon занимается созданием интегральных микросхем, использующих технологию FinFET и содержащих IP-блоки для 14 нм и 7 нм, а также инновационную упаковку 2.5D. Это позволяет понизить энергопотребление, повысить пропускную способность и гибкость производимых продуктов, соответствующих требованиям клиентов. Будучи разработчиком и пользователем IP-блоков, компания eSilicon создает надежные и удобные в использовании продукты.

Миниатюризация полупроводниковых компонентов, высокая плотность размещения элементов в корпусе и уменьшение запаса прочности увеличивают риск сбоя системы вскоре после выхода продукта на рынок. Во избежание многомилионных затрат на проектирование и доработку проекта, которые приводят к задержке выхода продукта на рынок и потере прибыли, инженеры eSilicon полагаются на программный комплекс ANSYS для моделирования сборки «чип-упаковка-печатная плата». В частности, используются модули ANSYS SIwave, RedHawk, HFSS и CMA для тестирования и валидации конструкции. С помощью ANSYS детально моделируется каждый компонент в чипе, упаковке, подложке и печатной плате и создается среда, в которой отдельные элементы легко интегрируются в общий расчет системы. Детальная верификация всей системы на ранних этапах проектирования имеет ключевое значение для успеха проекта. Методология проектирования, включающая все компоненты (чип, память, подложку, упаковку), позволяет проверить работу интегральной схемы отдельно и в рамках всей системы с учетом различных неопределенностей, что повышает надежность устройства и сокращает время его выхода на рынок.

Упаковка 2.5D, разработанная компанией eSilicon, содержит специализированную интегральную схему (ASIC), созданную по технологии 7 нм, и память с высокой пропускной способностью (HBM), интегрированные на интерпозере.
Упаковка 2.5D, разработанная компанией eSilicon, содержит специализированную интегральную схему (ASIC), созданную по технологии 7 нм, и память с высокой пропускной способностью (HBM), интегрированные на интерпозере.

Инженеры eSilicon постоянно общаются с клиентами, используя их отзывы для улучшения интерфейсов и внесения изменений в проекты. Наибольшее внимание уделяется расчетам целостности сигнала (SI) и целостности питания (PI) на уровне чипа, подложки, упаковки и печатной платы. В партнерстве с ANSYS инженеры eSilicon разработали методологию моделирования чипов, упаковок интегральных схем и печатных плат для детального анализа каждого компонента системы (от кристалла до упаковки и печатной платы), а также проведения расчета системы в целом, что позволяет определить взаимное влияние всех компонентов.

Расчет целостности сигнала

После создания начальных проектов подложки и интерпозера инженеры eSilicon проводят расчеты, используя ANSYS HFSS и ANSYS SIwave, чтобы создать модели S-параметров для анализа вносимых и обратных потерь, а также перекрестных помех. Частотные характеристики пассивных элементов сравниваются со спецификацией. Любые нарушения или недостаточный запас требуют внесения изменений в проект и проведения дополнительных циклов моделирования, пока не будут выполнены все требования. Для создания модели 2.5D упаковки инженеры eSilicon соединяют модели S-параметров подложки и интерпозера. Эта модель передается заказчику для анализа с моделью IBIS-AMI, чтобы проверить характеристики приема-передачи во временной области.

Свойства материалов и размеры соединительных проводников в подложках упаковки могут влиять на конечные показатели S-параметров. Для 2D упаковок существует множество полевых решателей, способных рассчитывать импеданс и целостность сигнала, однако для упаковки 2.5D, разработанной инженерами компании eSilicon, необходимо использовать ANSYS HFSS, трехмерный полевой решатель для расчета высокочастотных устройств типа SerDes. Внутри упаковки или интерпозера с близко расположенными элементами соседние компоненты могут оказывать существенное влияние на характеристики сигнала, особенно на высоких частотах.

Контакты в области BGA увеличены и соединены таким образом, чтобы уменьшить емкость и улучшить импеданс.
Контакты в области BGA увеличены и соединены таким образом, чтобы уменьшить емкость и улучшить импеданс.

Расчет целостности питания по постоянному току

Для расчета цепей питания по постоянному току инженеры eSilicon моделируют падение напряжения от модуля регулятора напряжения (VRM) на печатной плате до подложки чипа и интерпозера. Модуль ANSYS SIwave используется для извлечения этих компонентов и объединения их в общую модель. С помощью SIwave также проводится расчет на постоянном токе для анализа падения напряжения, силы тока и плотности мощности. Если обнаруживаются какие-либо проблемы, инженеры выполняют дополнительный цикл моделирования для повышения эффективности работы цепи питания. Благодаря надежности инструментов ANSYS, высокой скорости расчетов и эффективной интеграции, специалисты могут значительно улучшить изделие, а также провести быстрый расчет различных сценариев.

Чтобы получить достоверные результаты расчета целостности питания, необходимо иметь данные о разводке питания и паразитные параметры во всем устройстве. Когда предполагается наличие идеализированного модуля регулятора напряжения на системной плате, результаты моделирования могут значительно отличаться от реальных измерений, поскольку локальные токи могут превышать средний ток для источника напряжения. Таким образом, очень важно задать точное положение VRM и получить реальную разводку питания. Используя модуль SIwave, специалисты могут выполнять точный расчет питания, начиная от VRM до контактов кристалла.

Расчет целостности питания по переменному току

Расчет помех от кристалла на систему является чрезвычайно важным для создания рабочего устройства. Чтобы получить представление о целостности питания, необходимо понимать, как питание подается через интерпозер, подложку корпуса и плату. Специалисты компании eSilicon используют методологию «чип-упаковка-печатная плата», извлекая и моделируя каждый компонент, начиная от кристалла через интерпозер, подложку упаковки и печатную плату. Затем проводится моделирование всей системы в частотной и временной областях. ANSYS RedHawk используется для моделирования кристалла и интерпозера, ANSYS SIwave – для анализа упаковки и печатной платы и ANSYS CMA для моделирования цепей питания во временной области. При детальной верификации всей системы возникает проблема изменяющегося частотного диапазона компонентов от модуля регулятора напряжения до чипа.

С помощью модуля ANSYS CMA проводится моделирование всей цепи питания в широком диапазоне частот чипа, упаковки и печатной платы. Благодаря этому возможно получить широкий спектр переходных характеристик – длительностью от нескольких наносекунд до миллисекунд.

Целью расчета целостности питания по переменному току является обеспечение приемлемого уровня шума с помощью оптимизации импеданса. Если уровень шума слишком велик, инженеры возвращаются к расчету в частотной области для дополнительной оптимизации конденсаторов или внесения изменений в разводку цепи питания. Проводя моделирование на ранних стадиях проектирования, инженеры компании eSilicon могут оптимизировать производительность изделия, в то время как на поздних стадиях возможна лишь верификация.

Поле изменения напряжения от модуля VRM до упаковки позволило инженерам eSilicon определить проблемные места, в частности, сквозные межсоединения в печатной плате и упаковке.
Поле изменения напряжения от модуля VRM до упаковки позволило инженерам eSilicon определить проблемные места, в частности, сквозные межсоединения в печатной плате и упаковке.
Изменение напряжения от упаковки до контактов кристалла (от шариков BGA через сквозные межсоединения подложки, ведущие к интерфейсу С4).
Изменение напряжения от упаковки до контактов кристалла (от шариков BGA через сквозные межсоединения подложки, ведущие к интерфейсу С4).

Оптимизация внутреннего сопротивления и развязывающих конденсаторов

При проведении расчета в частотном диапазоне, инженеры eSilicon изучают внутреннее сопротивление кристалла и его влияние на каждый компонент системы. Необходимо определить, нужно ли использование конденсаторов для снижения резонанса в системе. Используя модуль ANSYS SIwave, инженеры моделируют целевой импеданс и убирают резонансные частоты, добавляя различное количество конденсаторов с разными характеристиками.

Моделирование во временной области

После оптимизации конденсаторов в частотной области инженеры eSilicon проводят моделирование во временной области для анализа уровня шума питающего напряжения на кристалле. Модуль ANSYS RedHawk используется для создания профиля тока и создания электрической модели цепи питания кристалла. RedHawk – инструмент для расчетов на уровне кристалла, который позволяет получить профиль токов по высокочастотным характеристикам для короткого промежутка времени. Однако инженерам необходимо провести моделирование на более длительном промежутке времени для анализа характеристик низкочастотного диапазона всей системы. Профиль тока нельзя увеличить с помощью многократного повтора формы волны, поскольку модуляция тока используется для возбуждения определенных резонансных частот или моделирования некоторых функциональных режимов, таких как доступ к троичной ассоциативной памяти (TCAM). ANSYS CMA позволяет инженерам eSilicon модулировать профиль тока для любой огибающей и любого импеданса в частотной области, а также любой нестационарный шум во временной области. Кроме того, ANSYS CMA автоматически соединяет сложные интерфейсы между кристаллом, интерпозером и упаковкой, что значительно сокращает работу «вручную» и снижает риск возникновения ошибок.

Когда инженеры получают расширенный и модулированный источник тока, они могут провести анализ всей цепи питания, используя ANSYS CMA для моделирования во временной области. Результаты моделирования сравниваются с спецификацией допустимых шумов, чтобы определить несоответствия. В случае несоответствия, инженеры проводят дополнительное моделирование в частотной области для модификации конструкции, изменяя емкости на кристалле, корпусе или плате, а также оптимизируя схему всей цепи питания.

Клиентами компании eSilicon являются производители оборудования, чьи задачи выходят за рамки сокращения энергопотребления, повышения производительности и уменьшения размеров. Для этих компаний важны эксплуатационные характеристики продуктов в течение всего срока службы, тепловая и механическая надежность, а также интеграция с программным обеспечением различного уровня. Учитывая сложность проектирования и верификации таких устройств, использование программного комплекса ANSYS помогает специалистам eSilicon ускорить выход продуктов на рынок и увеличить прибыль компании.

Добавление дополнительных конденсаторов емкостью 1 мкФ на упаковке. Увеличение количества приводит к снижению импеданса при параллельном резонансе.
Добавление дополнительных конденсаторов емкостью 1 мкФ на упаковке. Увеличение количества приводит к снижению импеданса при параллельном резонансе.

 

Литература

[1] Multi-Die Packaging and Thermal Superposition Modeling, info.esilicon.com/esilicon-white-paperdownloads-4?submissionGuid=c5150914-7c85-4e78-9668-aff0482d4345.

[2] 5D/HBM2 Packaging & Solutions, esilicon.com/capabilities/custom-2-5d-3d-packaging/