首頁 > 新聞資訊 在競爭激烈的全球移動(dòng)、消費(fèi)類和汽車電子系統(tǒng)市場(chǎng)中，低功耗、高性能以及高可靠性是產(chǎn)品獲得成功至關(guān)重要的因素。為了管理這些沖突性的需求，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要面面俱到地考慮多種選項(xiàng)，例如，需要采用高級(jí)工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)，尤其是基于FinFET的器件。這些高級(jí)技術(shù)節(jié)點(diǎn)讓芯片不僅能在更低功耗下以更快的速度運(yùn)行，同時(shí)還可在相同尺寸的芯片中集成更多功能。但是，在這些工藝節(jié)點(diǎn)上，由于器件的物理特性、尺寸和形狀以及互聯(lián)等因素，在進(jìn)行功耗、噪聲和可靠性簽核時(shí)會(huì)遇到嚴(yán)重的問題。
十多年來，Ansys? RedHawk-SC?一直都是業(yè)界電源噪聲和可靠性分析簽核的標(biāo)準(zhǔn)解決方案，其已成為各家代工廠基準(zhǔn)流程中不可或缺的一部分。RedHawk-SC提供優(yōu)異的容量、準(zhǔn)確度及仿真覆蓋特性，能夠全面滿足亞7nm設(shè)計(jì)，尤其是那些需要使用FinFET器件的設(shè)計(jì)需求，因而無論是上述所列的電源噪聲還是可靠性仿真問題，都能游刃有余地應(yīng)對(duì)解決。本白皮書將對(duì)影響電源/信號(hào)完整性及IC可靠性的各個(gè)方面進(jìn)行探討，同時(shí)還將介紹如何運(yùn)用Ansys RedHawk-SC高效率地分析和解決這些挑戰(zhàn)。本文為白皮書節(jié)選，完整內(nèi)容可在文末下載。
Ansys RedHawk-SC
憑借可擴(kuò)展的架構(gòu)、業(yè)界一流的引擎以及先進(jìn)的建模功能，Ansys RedHawk-SC堪稱率先在業(yè)界通過代工廠認(rèn)證的全芯片電源噪聲與可靠性簽核解決方案。RedHawk-SC可充分滿足高級(jí)亞7nm器件的需求，如FinFET和采用硅片直通孔 (TSV)封裝技術(shù)的2.5D/3D結(jié)構(gòu)需求，從而能進(jìn)一步擴(kuò)展上述功能。
圖1：Ansys RedHawk-SC平臺(tái)
RedHawk-SC仿真環(huán)境能實(shí)現(xiàn)IP、內(nèi)存和RTL級(jí)到芯片級(jí)SoC（其中包括封裝和電路板）的電源噪聲完整性和可靠性。IP和內(nèi)存設(shè)計(jì)人員不僅能使用Ansys Totem?來驗(yàn)證設(shè)計(jì)，而且還可創(chuàng)建能在SoC級(jí)使用的緊湊型模型，從而確認(rèn)集成的正確性，并評(píng)估封裝和全芯片噪聲對(duì)IP的影響。
RedHawk-SC可提供綜合全面的RTL2Silicon方法，它利用Ansys PowerArtist? Design為Power RTL仿真提供的數(shù)據(jù)來擴(kuò)大SoC電源噪聲仿真的簽核覆蓋范圍。對(duì)于采用高級(jí)工藝技術(shù)的設(shè)計(jì)而言，更廣泛的RTL覆蓋范圍以及考慮溫度、封裝和電路板影響非常重要。
高容量、高性能
為了滿足在高級(jí)工藝節(jié)點(diǎn)中實(shí)施大型SoC設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和簽核要求，需要完整地對(duì)整個(gè)SoC和封裝/PCB模型進(jìn)行仿真。如果不采用適當(dāng)?shù)姆椒▉砉芾磉@些大型仿真，那么容量和周轉(zhuǎn)時(shí)間都將激增。電流在整個(gè)模塊邊界上流動(dòng)，并穿過片上/封裝電源以及接地互聯(lián)點(diǎn)，而分層建模方法的能力非常有限，無法對(duì)這種隨時(shí)間變化的電流進(jìn)行建模。因此，來自分層模型的預(yù)定義電流特性，不能準(zhǔn)確地反映芯片的實(shí)際工作狀況。
經(jīng)過芯片驗(yàn)證的簽核精確度
Ansys RedHawk-SC具備業(yè)界領(lǐng)先晶圓廠提供的IR/DvD、EM和ESD完整性簽核認(rèn)證，可用于FinFET。
圖2：準(zhǔn)確度：SPICE與APL
RedHawk-SC可使用APL和定制宏模型 (CMM)整合器件級(jí)RC寄生效應(yīng)和開關(guān)電流波形，以實(shí)現(xiàn)皮秒級(jí)分辨率的全芯片瞬態(tài)仿真。這些增強(qiáng)型模型能滿足當(dāng)今復(fù)雜設(shè)計(jì)中不斷發(fā)展的精確度和覆蓋范圍需求。圖2將晶體管級(jí)的SPICE仿真波形與相應(yīng)的Ansys RedHawk-SC仿真（采用APL模型）進(jìn)行了對(duì)比。
實(shí)現(xiàn)FinFET遷移
將設(shè)計(jì)遷移到FinFET結(jié)構(gòu)，能在不影響待機(jī)電流的情況下，充分發(fā)揮較低動(dòng)態(tài)功耗的優(yōu)勢(shì)。但是，F(xiàn)inFET的更低供電電壓和較高的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度會(huì)分別降低噪聲容限，增大瞬態(tài)噪聲。此外，F(xiàn)inFET的局部發(fā)熱特性會(huì)升高溫度，進(jìn)而帶來功耗/信號(hào)完整性和EM可靠性問題。另外，電路設(shè)計(jì)限制和FinFET設(shè)計(jì)中更高的電流強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致ESD問題，從而進(jìn)一步影響可靠性。
圖3：FinFET中降低工作電壓的優(yōu)勢(shì)（資料來源：ARM公司RobAitken）
如今，在典型的高性能低功耗SoC中，有100多個(gè)電壓島、復(fù)雜的時(shí)鐘和電源門級(jí)電路以及幾十個(gè)IP已不足為奇，而且每個(gè)IP都會(huì)在不同的時(shí)鐘和電源域中工作。所有這些因素都要求我們必須對(duì)動(dòng)態(tài)壓降進(jìn)行準(zhǔn)確地估算，因此，需要在實(shí)際設(shè)計(jì)工作環(huán)境中精確預(yù)測(cè)多種模式以及場(chǎng)景中的電流，并對(duì)動(dòng)態(tài)壓降進(jìn)行驗(yàn)證，更為重要的是，需要了解壓降和電源噪聲對(duì)時(shí)鐘和關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)的影響。
Ansys RedHawk-SC 芯片封裝分析 (RedHawk-CPA)
RedHawk-SC包含了各種經(jīng)過Ansys Totem詳細(xì)仿真的IP模型。此外，當(dāng)今低功耗、高性能SoC的準(zhǔn)確簽核需要包含IP模型和封裝/PCB寄生參數(shù)。
圖4：封裝寄生效應(yīng)與解耦對(duì)芯片電源噪聲的影響
RedHawk-SC提供的集成型芯片-封裝協(xié)同分析解決方案Ansys RedHawk-CPA，可準(zhǔn)確地分析封裝寄生參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)壓降的影響。對(duì)于使用高級(jí)工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)，尤其是那些采用FinFET器件實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)，進(jìn)行電源分析時(shí)應(yīng)全面考慮封裝中的電流、通過焊點(diǎn)的電流以及芯片內(nèi)部的電流。該電流可通過一個(gè)時(shí)間實(shí)例到另一個(gè)時(shí)間實(shí)例的供電電壓和互聯(lián)阻抗變化進(jìn)行調(diào)制。對(duì)于確保仿真結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性而言，該因素和其它因素都至關(guān)重要。
先進(jìn)的可靠性簽核
隨著設(shè)計(jì)不斷向5nm以及更先進(jìn)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)發(fā)展，片上互聯(lián)的電遷移和靜電放電問題會(huì)變得更為嚴(yán)峻。因此，鑒于電線中的電流不斷增大，同時(shí)EM限值不斷縮小，EM和ESD分析的準(zhǔn)確度和覆蓋范圍就變得極為重要。
圖5：在全芯片電源噪聲仿真中使用RedHawk-CPA模型實(shí)現(xiàn)更高的結(jié)果準(zhǔn)確性和粒度（來源：網(wǎng)絡(luò)資源）
圖6：準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電流值
圖7：ESD引起的片上導(dǎo)線和ESD事件引起的過孔故障增加（摘自三星半導(dǎo)體公司Chan- hee Jeon等人的2013年國際ESD專題研討會(huì)供稿：適用于魯棒性I/O ESD網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的EOS/ESD電流強(qiáng)度分析方法）
Ansys RedHawk-SC可為電源/接地和信號(hào)線路EM分析提供全面的支持。能在最大限度減少主動(dòng)錯(cuò)誤信息的同時(shí)，準(zhǔn)確地對(duì)EM違規(guī)進(jìn)行分析。專有的電流感知型提取方法有助于創(chuàng)建和仿真RLC網(wǎng)絡(luò)，以便為設(shè)計(jì)中的每條電線和通孔實(shí)現(xiàn)簽核質(zhì)量的結(jié)果。作為RedHawk-SC平臺(tái)的組成部分，Ansys PathFinder-SC?可為ESD事件中所有電流路徑（電線和通孔）提供連接和互聯(lián)失效檢查，從而支持IP級(jí)到SoC級(jí)的ESD完整性分析。
用于電源噪聲收斂的更大覆蓋范圍
對(duì)于采用高級(jí)工藝技術(shù)的設(shè)計(jì)而言，發(fā)現(xiàn)和解決因標(biāo)準(zhǔn)單元、內(nèi)存、I/O和其它IP同步開關(guān)造成的電源噪聲問題更顯重要。通過使用全芯片瞬態(tài)仿真，RedHawk-SC可準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)同步開關(guān)輸出產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)壓降噪聲。RedHawk-SC可將動(dòng)態(tài)開關(guān)電流和電容模型與Totem提供的采用APL或CMM的晶體管級(jí)SPICE模型結(jié)合使用，從而生成SPICE級(jí)的準(zhǔn)確結(jié)果。
圖8：針對(duì)可靠性進(jìn)行的溫度感知型EM分析
為了能夠更好地覆蓋電源完整性和可靠性問題，即便是在缺少輸入向量的時(shí)候，找出設(shè)計(jì)熱點(diǎn)也非常關(guān)鍵。Ansys RedHawk-SC可支持VectorLess?動(dòng)態(tài)仿真引擎，無論是否具有用戶指定的全芯片驗(yàn)證范圍約束條件，其均可自動(dòng)生成開關(guān)情境。RedHawk-SC支持的其它無向量模式包括：PowerTransient?、FrequencyAware?以及VectorLess Scan等。
結(jié)果分析
RedHawk-SC功能齊備的多選項(xiàng)卡、多窗格GUI，實(shí)現(xiàn)同步顯示各種不同的結(jié)果和表格，便于用戶更好地展開分析與調(diào)試。這種基于布局的GUI，可為綜合全面的易用型調(diào)試功能提供所需的靈活性和魯棒性。多窗格GUI可提供多個(gè)芯片布局的視圖，其中每個(gè)視圖都可顯示其功率密度以及相互之間的直接影響。通過使用這些多窗格配置，工程師能快速發(fā)現(xiàn)芯片上設(shè)計(jì)薄弱點(diǎn)的根本原因，然后找到并隔離能減少或消除壓降或EM熱點(diǎn)問題的修改辦法。RedHawk-SC能夠在 GUI環(huán)境中查看封裝布線問題，并對(duì)其進(jìn)行分析和調(diào)試。
圖9：RTL到Silicon到system電源噪聲收斂
可擴(kuò)展生態(tài)系統(tǒng)的強(qiáng)大功能
Ansys電源噪聲和可靠性生態(tài)系統(tǒng)，可從RedHawk-SC和其它相關(guān)的IC仿真平臺(tái)進(jìn)一步擴(kuò)展，以包含下列成功投產(chǎn)的系統(tǒng)級(jí)仿真解決方案：Ansys SIwave?（信號(hào)完整性）、Ansys Icepak?（熱完整性）和Ansys HFSS? (EMI和高頻分析）。借助這些業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的多物理場(chǎng)工具，用戶能夠使用系統(tǒng)感知型芯片仿真方法和芯片-封裝感知型系統(tǒng)仿真方法，以確保芯片和系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上能以最低成本協(xié)同工作。
總結(jié)
Ansys RedHaww-SC可實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)全新的功能，并帶有引擎增強(qiáng)的特性。對(duì)于使用高級(jí)工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，這些功能和特性不僅能實(shí)現(xiàn)更高的性能、更短的仿真周轉(zhuǎn)時(shí)間，同時(shí)還能滿足嚴(yán)格的簽核要求。對(duì)于SoC電源噪聲和可靠性分析而言，RedHawk-SC仍然是簽核工具的不二選擇。除了能夠分析靜態(tài)/動(dòng)態(tài)壓降和電源/信號(hào)線路EM簽核以外，RedHawk-SC平臺(tái)還能實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)仿真、SoC ESD完整性驗(yàn)證、時(shí)序（時(shí)鐘、關(guān)鍵路徑）影響分析、電源網(wǎng)格原型構(gòu)建以及芯片-封裝-系統(tǒng)協(xié)同仿真。作為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的簽核工具，RedHawk-SC在最新的工藝節(jié)點(diǎn)上都取得了代工廠認(rèn)證，包括臺(tái)積電 (TSMC)基于3nm FinFET的工藝技術(shù)。RedHawk-SC獲得了數(shù)千種成功投產(chǎn)芯片的青睞和支持。
（文章來源公眾號(hào)：Ansys）
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