有什么不同的插入器信号完整性?

凯利Damalou和皮特Gasperini
实现收益,性能、面积和成本3 d-ic架构正推动电子产品设计新的限制。硅集成技术和相关设备经历了一个令人印象深刻的发展在过去的几十年。他们的发展鼓励科技进步在高性能计算等应用,人工智能(AI)处理器,和中央处理单元(CPU)和图形处理单元(GPU)的芯片。

堆叠3 d-ic安排和并排2.5 d-ic布局帮助设计师超越摩尔定律的局限性,使其可行的实现性能提升芯片(或chiplet)在个体水平。显著的性能和成本收益可以用异构集成(HI)通过使用最合适的工艺为每个chiplet 2.5 d或3 d-ic组装。嗨的好处是很好理解的,物理定律仍然可以介绍小说的挑战可以把风险总体系统性能。

2.5 multi-die d-ic总成的一个重要的新功能是插入器,携带信号和电力chiplets之间的互连。插入器是最通常实现为一个大型硅片与互连特征尺寸基于成熟的过程节点65海里。chiplets之间的高速数字总线传输信息包括高性能图形加速器、网络控制器、输入输出块,毫升,soc,高速记忆。嗨暗示的模拟信号到自定义chiplets无线通信和传感器。2.5 d-ic带有权衡的好处,包括需要面对新的和加剧了物理效应,单片芯片设计者通常不需要担心的。这些新问题的一个最关键的高精度信号完整性签字对硅插入器互连。

理解信号完整性(SI) 2.5 d插入器
信号完整性并不是一个新问题。它是一个标准的分析的一部分,任何芯片或印刷电路板(PCB)。所以,如果对插入器的不同吗?答案是前所未有的组合硅的密度和速度尺度接近的多氯联苯。传统的PCB工具没有能力来分析插入器与数以千计甚至数以百万计的连接,而传统集成电路的工具如果不考虑大尺度结构的新颖的物理效应就像在矽通过(tsv)或运行高速信号在多个厘米,长于片上互连好几个数量级。

图1:Ansys RedHawk-SC电热分析配电网络的(生产)一双芯片插入器。

这种组合的数量显著增加多重物理量的影响,需要考虑同时为2.5 d和3 d-ic架构,包括响,相声,地面反射,信号失真,信号损失,电源噪声。新奇的技术挑战是反映在新的通信协议的发展,UCIe专门为插入器,

电源噪声的信号噪声
高速接口,运行在非常高的数据速率,如以太网/ 224克和112克作为PCIe - 6,对硅功率输出功率噪声敏感网络(生产)。交换活动在附近组件可以创建一个强大的当前的生产会导致动态电压降(DVD)和响了。寄生电容和电感的电网,加上去耦电容,导致生产表现为复杂的RLC网络。强烈响生产将继续通过硅插入器噪声在信号驱动。这可以降低系统性能(计时误差)或引起故障。如果问题往往是紧密相连的电源完整性问题。(图2)。

图2:交换活动可以传播生产上的瞬态响应。

特定类别的噪音性SI时钟抖动。这会影响关键的时钟信号分配给所有组件,以使它们保持同步和操作步骤。时钟应该是在一个固定的频率切换,但当地动态电压降的电源可以稍微推迟或时钟信号的传播速度。结果是一个时钟“恐慌”和个人钟表的滴答声随机到达有点太早或太迟了一点。

这意味着高频功率输出噪声必须仔细分析“嘈杂”数字块不会引起的配电网络和峰值为相声在邻近的高速通道。总的来说,电源噪声是有问题的敏感的模拟功能和高速和低门槛/低功耗CMOS设备。

电磁耦合和干扰(EMC / EMI)
互连之间跑过一个插入器chiplets高速,很近,很长,集成电路标准。这意味着设计师——甚至数码设计师——需要考虑电磁(EM)之间的耦合线生产,chiplets。他们必须期望敏感信号噪声和寄生效应的影响。信号完整性和电磁签收的准确性是至关重要的实现绩效目标的最新高速通信协议(如3所示^{理查德·道金斯}代高带宽内存(HBM3)。电磁分析工具不能提取模型为整个2.5 d大会详细。选择敏感信号应与配电网络和co-extracted结果EM-coupled RLCk寄生模型可以与寄生RC合并。维护和信号完整性分析在这些条件下是一个更微妙的追求,因为密集的路由和数据率高,转化为高频内容。

时间域电路仿真
超出了直接的挑战提供一个精确的电磁模型对于这样一个复杂的场景中,传统的信号完整性解决方案并不具备交付模型可以被SPICE-level电路模拟器。高速应用程序本质上需要时域分析但电路模拟器无法融合时域仿真与传统的参数模型。随着港口数量的参数模型的增加,电路模拟器聚集到一个解决方案面临更多的困难。利用另一种格式,比如有理函数模型(RFM)提供相同级别的时域模拟和模型的精度有更好的效率与许多港口。

分层建模的如果
无论如何计算,完整的SI的照片2.5 d multi-chip为有效的系统级分析设计太大。系统级规模最好通过分层建模和降阶模型(rom)捕获SI行为在适当的细节水平全面系统分析与小得多的速度模型。

组织的挑战插入器的物理模型
尽管公司可能都必备的专业知识内部2.5 d-ic设计,它依然对传统团队动态变化。今天,顶级的信号完整性分析通常是分配给包或董事会层面与EM设计工程师经验,但经验有限的硅技术和芯片级定时提取方法用于硅插入器。同时为芯片设计者相反的是正确的。不同群体历来只在开发周期的后期合作。成功在嗨需要进一步调整的分布式口袋的专业知识到一个设计团队。

Ansys多重物理量插入器SI的平台
随着越来越多的电子产品公司进入multi-die设计,有一个越来越需要多重物理量工作流,可以提供洞察更多种类的物理和他们的相互作用在整个设计周期个人chiplets插入器和完整的系统。

Ansys RedHawk-SC电热提供一个全面的平台,利用Ansys的极为广泛的物理引擎(电、热、电磁、机械、光学、和更多)和深硅技术解决了多重物理量挑战与2.5 d / 3 d-ic相关分析。RedHawk-SC电热支持电源完整性、信号完整性、热完整性和机械完整性分析在一个统一的环境下无缝接口的所有主要定制集成电路设计平台。如果功率噪声分析是基于业界领先RedHawk-SC技术签收,和底层海景云优化大数据平台的全芯片生产能力分析。

RedHawk-SC电热能够全面的系统级SI分析由于其综合Ansys芯片信号模型(CSM)降阶模型,包括JEDEC-compatible时机,电源噪声、抖动,杀了建模。CSM中使用的早期原型阶段包括系统建模on-die芯片信号以及董事会层面的PCB信号。CSM降阶模型为2.5 d / 3 d-ic生成硅插入器RedHawk-SC电热的用户友好的插入器向导,捕捉频率相关电特性,认为权力对SI /地面的影响。CSM是理想的优化IO /开瓶放置与快速假设分析能力。

电磁建模和Ansys RaptorX foundry-certified为芯片上集成到RedHawk-SC电热3 d-ic多重物理量分析工作流解决信号完整性问题与电磁高速应用精度。

图3:硅插入器上的高速总线选择与Ansys RaptorX完全耦合的电磁建模。

以其无与伦比的能力和速度,RaptorX使IC设计工程师和信号完整性专家准确模型结构选择之间的电磁耦合效应的影响在整个完整的设计cycle-even硅插入器等最复杂的架构。它能够读取加密的铸造技术文件,并使用一个直观的图形用户界面(GUI),自动设置的电磁模拟集成电路设计的工作流。这允许设计师启动的抽取,在几分钟内。

RaptorX捕捉意想不到的100多间串扰信号和适度的配电网络计算需求,提供了良好的可伸缩性在多个cpu和多台机器。它提取一个精确的模型,电、磁和衬底耦合与许多数以百计的港口设计的参数格式的,这是适合于频域模拟,有理函数模型(RFM)格式,这是更有效的时域仿真。RaptorX电磁求解程序已通过台积电和三星2.5 d -和3 d-ic架构,使其值得信赖的合作伙伴为整个IC和硅插入器设计周期。

总之,2.5 d / 3 d-ic和插入器提供了巨大的潜力,但也带来了一些重要的分析和设计的挑战。现在注册为即将到来的技术研讨会全面的多重物理量分析平台3 d-ic插入器了解更多关于Ansys的综合物理模型解决电源完整性、信号完整性和热硅插入器的完整性。

皮特Gasperini是电子产品营销经理业务单元在有限元分析软件。