首頁 > 新聞資訊 在競爭激烈的全球移動、消費類和汽車電子系統市場中，低功耗、高性能以及高可靠性是產品獲得成功至關重要的因素。為了管理這些沖突性的需求，設計團隊需要面面俱到地考慮多種選項，例如，需要采用高級工藝技術節點，尤其是基于FinFET的器件。這些高級技術節點讓芯片不僅能在更低功耗下以更快的速度運行，同時還可在相同尺寸的芯片中集成更多功能。但是，在這些工藝節點上，由于器件的物理特性、尺寸和形狀以及互聯等因素，在進行功耗、噪聲和可靠性簽核時會遇到嚴重的問題。
十多年來，Ansys? RedHawk-SC?一直都是業界電源噪聲和可靠性分析簽核的標準解決方案，其已成為各家代工廠基準流程中不可或缺的一部分。RedHawk-SC提供優異的容量、準確度及仿真覆蓋特性，能夠全面滿足亞7nm設計，尤其是那些需要使用FinFET器件的設計需求，因而無論是上述所列的電源噪聲還是可靠性仿真問題，都能游刃有余地應對解決。本白皮書將對影響電源/信號完整性及IC可靠性的各個方面進行探討，同時還將介紹如何運用Ansys RedHawk-SC高效率地分析和解決這些挑戰。本文為白皮書節選，完整內容可在文末下載。
Ansys RedHawk-SC
憑借可擴展的架構、業界一流的引擎以及先進的建模功能，Ansys RedHawk-SC堪稱率先在業界通過代工廠認證的全芯片電源噪聲與可靠性簽核解決方案。RedHawk-SC可充分滿足高級亞7nm器件的需求，如FinFET和采用硅片直通孔 (TSV)封裝技術的2.5D/3D結構需求，從而能進一步擴展上述功能。
圖1：Ansys RedHawk-SC平臺
RedHawk-SC仿真環境能實現IP、內存和RTL級到芯片級SoC（其中包括封裝和電路板）的電源噪聲完整性和可靠性。IP和內存設計人員不僅能使用Ansys Totem?來驗證設計，而且還可創建能在SoC級使用的緊湊型模型，從而確認集成的正確性，并評估封裝和全芯片噪聲對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仿真提供的數據來擴大SoC電源噪聲仿真的簽核覆蓋范圍。對于采用高級工藝技術的設計而言，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
為了滿足在高級工藝節點中實施大型SoC設計的準確性和簽核要求，需要完整地對整個SoC和封裝/PCB模型進行仿真。如果不采用適當的方法來管理這些大型仿真，那么容量和周轉時間都將激增。電流在整個模塊邊界上流動，并穿過片上/封裝電源以及接地互聯點，而分層建模方法的能力非常有限，無法對這種隨時間變化的電流進行建模。因此，來自分層模型的預定義電流特性，不能準確地反映芯片的實際工作狀況。
經過芯片驗證的簽核精確度
Ansys RedHawk-SC具備業界領先晶圓廠提供的IR/DvD、EM和ESD完整性簽核認證，可用于FinFET。
圖2：準確度：SPICE與APL
RedHawk-SC可使用APL和定制宏模型 (CMM)整合器件級RC寄生效應和開關電流波形，以實現皮秒級分辨率的全芯片瞬態仿真。這些增強型模型能滿足當今復雜設計中不斷發展的精確度和覆蓋范圍需求。圖2將晶體管級的SPICE仿真波形與相應的Ansys RedHawk-SC仿真（采用APL模型）進行了對比。
實現FinFET遷移
將設計遷移到FinFET結構，能在不影響待機電流的情況下，充分發揮較低動態功耗的優勢。但是，FinFET的更低供電電壓和較高的驅動強度會分別降低噪聲容限，增大瞬態噪聲。此外，FinFET的局部發熱特性會升高溫度，進而帶來功耗/信號完整性和EM可靠性問題。另外，電路設計限制和FinFET設計中更高的電流強度會導致ESD問題，從而進一步影響可靠性。
圖3：FinFET中降低工作電壓的優勢（資料來源：ARM公司RobAitken）
如今，在典型的高性能低功耗SoC中，有100多個電壓島、復雜的時鐘和電源門級電路以及幾十個IP已不足為奇，而且每個IP都會在不同的時鐘和電源域中工作。所有這些因素都要求我們必須對動態壓降進行準確地估算，因此，需要在實際設計工作環境中精確預測多種模式以及場景中的電流，并對動態壓降進行驗證，更為重要的是，需要了解壓降和電源噪聲對時鐘和關鍵網絡的影響。
Ansys RedHawk-SC 芯片封裝分析 (RedHawk-CPA)
RedHawk-SC包含了各種經過Ansys Totem詳細仿真的IP模型。此外，當今低功耗、高性能SoC的準確簽核需要包含IP模型和封裝/PCB寄生參數。
圖4：封裝寄生效應與解耦對芯片電源噪聲的影響
RedHawk-SC提供的集成型芯片-封裝協同分析解決方案Ansys RedHawk-CPA，可準確地分析封裝寄生參數對動態壓降的影響。對于使用高級工藝技術實現的設計，尤其是那些采用FinFET器件實現的設計，進行電源分析時應全面考慮封裝中的電流、通過焊點的電流以及芯片內部的電流。該電流可通過一個時間實例到另一個時間實例的供電電壓和互聯阻抗變化進行調制。對于確保仿真結果的有效性和準確性而言，該因素和其它因素都至關重要。
先進的可靠性簽核
隨著設計不斷向5nm以及更先進的技術節點發展，片上互聯的電遷移和靜電放電問題會變得更為嚴峻。因此，鑒于電線中的電流不斷增大，同時EM限值不斷縮小，EM和ESD分析的準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模型實現更高的結果準確性和粒度（來源：網絡資源）
圖6：準確預測電流值
圖7：ESD引起的片上導線和ESD事件引起的過孔故障增加（摘自三星半導體公司Chan- hee Jeon等人的2013年國際ESD專題研討會供稿：適用于魯棒性I/O ESD網絡設計的EOS/ESD電流強度分析方法）
Ansys RedHawk-SC可為電源/接地和信號線路EM分析提供全面的支持。能在最大限度減少主動錯誤信息的同時，準確地對EM違規進行分析。專有的電流感知型提取方法有助于創建和仿真RLC網絡，以便為設計中的每條電線和通孔實現簽核質量的結果。作為RedHawk-SC平臺的組成部分，Ansys PathFinder-SC?可為ESD事件中所有電流路徑（電線和通孔）提供連接和互聯失效檢查，從而支持IP級到SoC級的ESD完整性分析。
用于電源噪聲收斂的更大覆蓋范圍
對于采用高級工藝技術的設計而言，發現和解決因標準單元、內存、I/O和其它IP同步開關造成的電源噪聲問題更顯重要。通過使用全芯片瞬態仿真，RedHawk-SC可準確地預測同步開關輸出產生的動態壓降噪聲。RedHawk-SC可將動態開關電流和電容模型與Totem提供的采用APL或CMM的晶體管級SPICE模型結合使用，從而生成SPICE級的準確結果。
圖8：針對可靠性進行的溫度感知型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候，找出設計熱點也非常關鍵。Ansys RedHawk-SC可支持VectorLess?動態仿真引擎，無論是否具有用戶指定的全芯片驗證范圍約束條件，其均可自動生成開關情境。RedHawk-SC支持的其它無向量模式包括：PowerTransient?、FrequencyAware?以及VectorLess Scan等。
結果分析
RedHawk-SC功能齊備的多選項卡、多窗格GUI，實現同步顯示各種不同的結果和表格，便于用戶更好地展開分析與調試。這種基于布局的GUI，可為綜合全面的易用型調試功能提供所需的靈活性和魯棒性。多窗格GUI可提供多個芯片布局的視圖，其中每個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，工程師能快速發現芯片上設計薄弱點的根本原因，然后找到并隔離能減少或消除壓降或EM熱點問題的修改辦法。RedHawk-SC能夠在 GUI環境中查看封裝布線問題，并對其進行分析和調試。
圖9：RTL到Silicon到system電源噪聲收斂
可擴展生態系統的強大功能
Ansys電源噪聲和可靠性生態系統，可從RedHawk-SC和其它相關的IC仿真平臺進一步擴展，以包含下列成功投產的系統級仿真解決方案：Ansys SIwave?（信號完整性）、Ansys Icepak?（熱完整性）和Ansys HFSS? (EMI和高頻分析）。借助這些業界標準的多物理場工具，用戶能夠使用系統感知型芯片仿真方法和芯片-封裝感知型系統仿真方法，以確保芯片和系統在設計上能以最低成本協同工作。
總結
Ansys RedHaww-SC可實現多項全新的功能，并帶有引擎增強的特性。對于使用高級工藝技術節點的設計，這些功能和特性不僅能實現更高的性能、更短的仿真周轉時間，同時還能滿足嚴格的簽核要求。對于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/動態壓降和電源/信號線路EM簽核以外，RedHawk-SC平臺還能實現低功耗設計仿真、SoC ESD完整性驗證、時序（時鐘、關鍵路徑）影響分析、電源網格原型構建以及芯片-封裝-系統協同仿真。作為業界標準的簽核工具，RedHawk-SC在最新的工藝節點上都取得了代工廠認證，包括臺積電 (TSMC)基于3nm FinFET的工藝技術。RedHawk-SC獲得了數千種成功投產芯片的青睞和支持。
（文章來源公眾號：Ansys）
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