随着芯片工艺技术的提高，单个芯片上集成的晶体管数目呈指数增长，性能和功能也取得长足的进步，与此同时，芯片的复杂程度和工作频率的不断提高，芯片的低功耗设计问题也越来越突出，尤其是各种手持移动设备的广泛应用，对功耗和散热提出了更高的要求。功耗的降低要求更低的供电电压，使得芯片对电源噪声、可靠性的容忍阈值也越来越低，同时翻转速率越来越高的 I/O 信号端口也带来严重的开关同步噪声问题。整个电子系统的成功与否已经无法单独依靠芯片设计来满足，必须全面考虑芯片与封装、印刷电路板的相互作用，才能克服包括电源噪声、高速信号传输、电磁兼容和散热性能在内的各种挑战。

    01、CPS 协同仿真所解决的挑战

    01、电源噪声的影响

    传统的芯片电源设计方法，只关心芯片内部的电源网络设计，但是供电芯片的能量必须先经过印刷电路板和封装的供电网络，才能到达芯片的供电端，如图： 

因此，只有考虑了外部封装和印刷电路板的供电网络影响以后，才能正确评估计算芯片所感受到的电源阻抗，如图： 

02、高速信号的传输

    信号从发射端芯片传输到接收端芯片所经过的路径包含 ：芯片到封装的链接，封装到子板的链接，子板到背板的链接以及 3D连接器之间的链接，如图 ： 

在高速信号传输情况下，芯片内部的电源网络同样会影响信号传输的质量，如图： 

芯片不同的工作状态，都会导致不同信号传输质量。而完整的芯片模型包含了太多晶体管电路模型，如果直接与高速通道模型一起进行仿真，不仅效率低，速度慢，而且收敛性无法保证。高速芯片、封装和印刷电路板的协同仿真

    03、电磁兼容

    随着信号传输速率的不断提高，辐射强度也会越来越大，必须在设计的过程中，就保证电磁辐射满足要求。除了信号的辐射以外，电源地平面上的噪声幅度和分布也对电磁辐射有贡献。

    04、散热设计

    对于一种物理现象的仿真，假定其他条件不变化时，模拟的结果往往与实际情况差异很大。例如，芯片的温升和热分析，不仅需要考虑管芯发热，还需要考虑由于基板导线通过大电流后带来的热影响，以及温升带来的结构形变应力变化。

    02、CPS协同仿真软件架构

    本文通过ANSYS旗下各款软件来构建CPS协同仿真方案，包括电阻晶体管逻辑（RTL）级芯片功耗分析工具Power Artist，数字芯片功耗、噪声以及可靠性分析工具Red Hawk，数模混合、存储器以及IP芯片功耗、噪声以及可靠性分析工具Totem，印刷电路板电磁场仿真工具SIwave，三维封装电磁场仿真模块Embedded Sentinel-PSI，通用三维电磁场分析工具HFSS，复杂封装电磁参数提取工具Q3D，高速通道仿真工具Designer SI。基于上述软件模块组合的CPS方案，为芯片、封装和印刷电路板的联合仿真提供完整的端到端流程，如图 ： 

该流程主要包含三部分 ：芯片部分、封装和印刷电路板部分、系统部分。

    1 芯片部分

    在芯片的前端——即 RTL 代码设计阶段，使用Power Artist对芯片功耗进行分析，得到 RTL 级功耗模型（RPM），通过该模型可以在前段设计时就预估芯片不同工作模式下的功耗大小。到了芯片的后端布局验证阶段，为了利用Red Hawk分析一个完整的片上系统(So C) 芯片的功耗噪声模型，需要分别考虑来自三个部分的影响。

    01、纯数字设计部分

    Red Hawk 本身即可以根据实际版图分析纯数字设计的功耗与噪声。

    02、数模混合设计/存储器设计/集成第三方IP 设计部分

    使用Totem分析基于实际版图的芯片功耗，得到芯片相应的客户定制模块模型（CMM）。

    03、外围封装和印刷电路板部分

    利用SIwave中的PDN Builder功能，建立起封装和印刷电路板的电源网络模型。

    将上面三部分的影响与芯片前端分析时得到的 RTL模型作为Red Hawk的输入进行分析 , 即可获得一个完整的芯片功耗噪声结果，并可以导出相应的芯片功耗模型（CPM）。由于Red Hawk在分析芯片功耗时，考虑了封装和印刷电路板的影响，因此芯片内部的静态压降以及动态压降结果更加真实，可以有效地分析片外电路电流噪声，同时导出的CPM也代表了芯片在有封装和印刷电路板影响下的真实工作特性。

    2、封装与印刷电路板部分

    在封装设计阶段，使用SIwave以及内嵌的Sentinel-PSI分析封装的三维电磁场寄生参数，得到相应的S参数模型；对于复杂封装和TSV 3DIC设计，可以使用Q3D得到相应的SLGC模型。在印刷电路板设计阶段，使用SIwave以及内嵌的Sentinel-PSI分析印刷电路板的三维电磁场寄生参数，得到相应的S参数模型；同时，对于一些三维高速接插件，使用HFSS获得准确的S参数模型。提取封装和印刷电路板模型的最终目的是为系统仿真提供一个完整的无源结构模型。

    系统部分

    在系统仿真阶段，使用Designer SI作为系统级的分析工具，可以将CPM、封装、印刷电路板链接以及接插件等链接成一个完整系统，在充分考虑它们相互影响的情况下进行时域和频域分析，同时时域仿真结果可以返回到SIwave进行电磁辐射分析。芯片模型上的有源部分可以为系统仿真提供激励，该激励在通过由芯片无源结构部分及封装和印刷电路板模型一起组成的无源系统模型时，将会感受到各种寄生参数的影响，从而得到各处的实际电压和电流分布。

    最后，还可以将Redhawk产生的芯片热模型（CTM）输出到Icepak等专业的电子产品热仿真工具中，模仿真实工作情况下，芯片、封装与印刷电路板上的温度分布。

    03、CPS 协同仿真电磁辐射案例

    以手机系统为例，该系统包含由低功耗高速CPU芯片，封装和高密度印刷电路板组成的电子系统。随着工作频率的升高，印刷电路板和封装的结构会产生显著的天线效应，将电流能量不断辐射出去。同时高速芯片内部晶体管不断开关，其消耗瞬时电流变化非常剧烈，会导致整个封装和PCB上产生高频电流流动和电压波动，成为电磁辐射的源头。使用CPS协同仿真方法分析电子系统的电磁辐射，具体步骤包括 ：

    （1）在Redhawk中导入芯片版图和RTL级模型，设定芯片的工作模式，该模式会决定芯片工作时各晶体管的工作状态，使用Redhawk进行仿真。该仿真会提取芯片版图中电源地网络的无源参数以及在设定的工作模式下，芯片电源端的时域电流波形。Redhawk将仿真得到的结果综合为一个芯片电源模型（CPM），该模型本身完全符合SPICE语法结构，可以被电路仿真工具所读取和识别。

    （2）在SIwave中，分别导入印刷电路板和封装的设计文件，使用版图组合功能，将封装和印刷电路板按照实际的位置关系组合成为一个完整的仿真工程，并确保网络名词能够自动对齐。这样组合的目的除了可以在提取封装和印刷电路板无源模型时考虑封装和印刷电路板之间的互耦，还可以在进行辐射计算时，把封装和印刷电路板作为一个辐射整体来计算分析。然后在SIwave中设定仿真频率范围，提取封装和印刷电路板的S参数模型。

    （3）在Designer SI中导入该芯片的CPM模型、SIwave提取的封装和印刷电路模型，按照实际电气连接关系进行连接，形成完整的系统仿真链路结构。然后确定好时域仿真的步长和总时长后，在Designer SI中进行时域瞬态仿真。这个仿真将会得到基于CPM中的芯片电源波形下，封装和印刷电路板上各端口处的电压和电流分布。

    （4）Designer SI支持Push Excitation操作，该操作会将上一步得到的封装和印刷电路板上各端口的时域电压电流转换为频域数据，并传回给SIwave软件。然后SIwave 便可基于该频域的电压电流信息，进行电磁辐射计算，从而得到在该CPM模型激励下的封装和印刷电路板的辐射特性，如图（a）所示。

    如果不使用这样的CPS流程，仅仅从封装和印刷电路板仿真入手。首先无法考虑芯片电源网络对电源噪声的过滤作用，其次无法获得准确的频域电压电流的幅度相位信息，从而导致所计算出来的辐射结果不够准确，如图（b）所示。

    结语

    通过使用ANSYS的芯片、封装和印刷电路板的协同仿真技术，允许工程师在设计阶段就建立起虚拟的电子系统仿真环境，全面评估整个电子系统的性能 , 充分考虑芯片对系统的影响，从而达到减少设计周期、降低设计成本和风险的目的。

    来源：印制电路世界