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Clarity 3D Solver 与 Celsius Thermal Solver 的算法解密

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  目前,Cadence公司提供的产品和服务涵盖以下三大方面:


  1、对难以想象的海量数据进行运算的算法;


  2、扩展算法,以便进行大规模的并行云计算;


  3、在企业环境中交付软件并提供支持


  Cadence公司在许多产品中提供了以上技术方法,而这些产品又应用于大量的处理器中。在仿真领域,我们提供Xcelium™和Spectre®X产品;在系统层面,则有Clarity™3D Solver和Celsius™Thermal Solver软件。


  Clarity 3D Solver


  在2020年的DesignCon设计大会上,Cadence的资深主任工程师Bruce Yuan在“超越摩尔”议题下,做了题为“高级封装的3D全波仿真器“的演讲,详细介绍了Clarity 3D Solver产品。他的第一张幻灯片展示了Cadence公司如何将算法知识从芯片扩展到系统分析:


  上图的底部是现有设计平台:用于芯片的Virtuoso®和Innovus™、用于复杂封装的SiP和OrbitIO™、用于PCB的Allegro®和OrCAD®,以及我们的合作伙伴Dassault和PTC——提供用于机箱的产品。中间则是多物理领域:电磁、电、热、流体流动、机械。而在顶部,各种不同的引擎参与设计并解决实际问题。这些功能结合在一起,使我们能够进行系统设计优化,这正是Cadence所倡导的Intelligent System Design(智能系统设计)的关键部分。


  究其本质,则是一个大规模并行矩阵求解器。这是一种突破性算法,是Cadence公司在系统分析领域的秘密武器。它具有近乎线性的可扩展性,且不会造成任何精度损失。它还具有几乎无限的容量,可以使用大量低容量的机器,而不需要任何大型设备;这些大型机器要么在我们需要时不可用,要么大多数时候都处于等待工作指令的闲置状态中。整个基础架构动态部署于云端(或数据中心),且拥有容错重启功能以避免因为机器数量较多而时有发生的异常事件。


  该讲演还展示了传统的设计流程,即在单个主机上进行自适应网格划分。在实践中,对于大型设计,这可能需要一台数T字节内存的机器。


  相反,我们的系统分析工具,特别是Clarity 3D Solver,在分配网格剖分的同时也分配所有不同的频率。


  分析结果


  1、用于HBM的晶圆级系统级封装(SiP):内存减少85%


  一个4层RDL晶圆级SiP结构,有2个芯片、1个系统级芯片和1个HBM内存裸片。信号的宽度和间距为2um,128个全通道数据信号加上电源输送。


  2、裸片堆叠SiP:内存减少87%


  一个4层BGA基板,有3个芯片、1个系统级芯片裸片和2个DRAM裸片,顶部DRAM裸片中包括1个RDL(如下图)。使用Clarity 3D Solver在15个内核上分析RDL和SiP:


  3、客户Socionext案例:成本降低93%


  查看在Amazon AWS(EC2实例)上使用Cadence Cloudburst的云中成本,核数均为64核:


  Celsius Thermal Solver


  Cadence公司去年推出的另一个系统分析工具是Celsius Thermal Solver。在DesignCon设计大会上,Cadence系统分析事业部产品总监CT Kao对该产品进行了概述。


  该产品可以同时对IC、封装、电路板和系统进行热分析与电分析。其实质是有限元分析(FEA),因此有更多的大型方程组的联立解与更多的稀疏矩阵。此外,还有计算流体力学(CFD)来处理冷却系统中的气流和风扇。


  对于以IC为中心的方法,Celsius Thermal Solver不仅解决了显而易见的问题,还解决了3D IC、裸片到裸片键合和硅通孔(TSV)问题,在裸片上提供了温度和功率图,并同时考虑了所有这些的复杂性。


  对于以封装/PCB为中心的方法,Celsius Thermal Solver使用FEA和CFD进行瞬态和稳态仿真,解决了详细的2D分层与3D结构。


  对于以系统为中心的方法,除了FEA和CFD技术之外,Celsius Thermal Solver还可以处理散热器、外壳、气流以及影响温度的系统环境的所有其他方面。


  分析结果


  这里只引用一个例子,假设这是一台在三个小电路板上构建的照相机,然后将其装入某种外壳中:


  构成分析的元素差不多有1亿个。通过扩展到大量内核,生成分析结果的速度可以加快十倍以上。在某些情况下,Celsius Thermal Solver能够分析曾经无法分析的大型系统。


  转载自Cadence楷登PCB及封装资源中心微信公众号


  上海搏嵌电子技术有限公司(英文:Shanghai BoardChain Electronics Technology Co.,Ltd.)是Cadence官方授权代理商,在PCB设计、IC设计、封装设计、系统分析、模拟仿真等方面为客户提供高效的技术解决方案和专业的研发工具,欢迎致电咨询:400-0519-668。

2021年7月21日 14:05
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