HFSS 3D Layout：轻松实现从系统级求解芯片设计

本文原刊登于Ansys Blog：《Solving Chip Designs at the System Level via HFSS 3D Layout》

作者：Aaron Edwards | Ansys高级应用工程经理

编辑整理：赵阳 | Ansys中国技术支持工程师

使用Ansys HFSS 3D Layout只需34个小时，就能生成并求解上方这个复杂的PCB封装模型，而如果使用其他方法则需要花费数周才能完成。

如今的半导体制造商承受着巨大的压力，因为他们需要以更快的速度设计出功能更强大的芯片和印刷电路板（PCB），在减轻信号完整性问题的同时，缩小外形尺寸。这会带来什么样的结果呢？答案是巨大的设计复杂性，因为制造商需要不断缩小的间距，来堆叠越来越多的组件。

但设计复杂性并非是唯一的问题。日益普及的5G、自动驾驶汽车和物联网（IoT）等市场应用，正迫使半导体制造商不仅需要专注于创新发展，还需要快速地推出极致创新。目前全球范围内的车用芯片短缺，这是半导体制造商面临着极为严苛的要求，以及瞬息万变的市场环境的例证之一。还有比如，三星宣布，由于芯片短缺的问题，可能需要延迟推出其新一代Galaxy Note智能手机。

数十年来，利用Ansys HFSS开展建模和仿真，全球领先的半导体公司解决了一系列的研发与产品发布难题。自1990年以来，Ansys不断推出新功能和新特性，预测并解决半导体行业客户面临的新挑战，而毫不意外的，现在Ansys HFSS的新功能结合诸如云计算等通用技术的发展，也为客户设计并推出更小型、更强大、更具创新性的芯片提供了支持，助力他们紧跟市场需求的速度。

这些发展中最为突出的是HFSS中一项较新的功能，称为3D Layout。它能帮助工程师在系统级、快速准确地装配最为复杂的设计。这是一种颠覆性的进步，可帮助半导体制造商在不影响产品可靠性或可信度的前提下，更高效地进行竞争并满足市场需求，因为系统仿真使用的是作为黄金标准的HFSS求解器。

在过去，通过Ansys完成的芯片设计是一个顺序化、组件级的流程，受仿真求解时间、几何模型网格划分能力 、处理速度以及其他技术考量因素等的限制。但如今这些限制因素已经不复存在，恰好帮助半导体制造商将最复杂的芯片和电路板设计当作集成系统进行求解，将求解速度提升到了新的水平。

通过帮助工程师为包括集成电路（IC）封装、连接器和电路板在内的完整信号路径建模，Ansys HFSS 3D Layout不仅揭示了组件级的设计缺陷，也揭示了组件间信号损耗等任何系统级集成问题或耦合问题。半导体研发商不必采用分而治之的方法，让不同的工程团队使用不同的工具顺序地设计从IC到IC信号路径的不同部分，而是可以借助统一的、行业标准的解决方案，一次性装配完整的信号路径。

这种方法由于省去了人工操作，不仅能让生产力和效率更高，还能帮助设计团队在设计非常早期阶段发现系统级的问题，而此时解决问题的成本也较低。此外，HFSS 3D Layout支持设计自动化，便于充分利用现有的PCB产品设计，最大限度地减少返工和迭代。

HFSS 3D Layout能显著节省时间与成本。如今，工程师仅需34个小时就能为PCB设计进行建模，该设计包含一个安装在SODIMM板上的8个两层倒装芯片的BGA封装，且该SODIMM板插入安装在主板上的连接器上，总计64个网络和128个端口。而如果使用组件级的顺序化方法，这个模型则需要数周的时间才能生成。

这种颠覆性的速度与性能，是如何实现的呢？首先，在作为业内标准的网格划分功能的基础上，Ansys大幅改进了网格划分能力，能快速轻松地为几何模型最复杂的封装建模。其次，Ansys求解器经过了改进，即便是处理最复杂的电磁问题，用时也仅为过去所需用时的几分之一。最后，Ansys解决方案现在能访问云计算资源，包括运行在Microsoft Azure上的Ansys Cloud，增加了求解芯片设计等数值规模巨大的问题可用的RAM和计算节点。当所有这些技术进步完美结合在一起，就为完整的3D系统级模型提供了行业速度最快、最准确的求解方案。

除了HFSS 3D Layout出众的功能、速度、深度和广度之外，Ansys还可为PCB与芯片多物理场仿真提供业界罕有的综合性仿真平台。多物理场仿真可帮助半导体研发团队加快许多设计步骤，在虚拟设计环境下以集成系统的方式，在逼真运行条件下测试硅片、封装和电路板的性能。

电子工程师面临的最严峻的物理挑战之一，是在许多组件相邻堆叠的情况下管理热积聚的自然趋势。除了热效应之外，半导体工程团队不仅须考虑整体封装的结构要求，还须考虑现实条件下的电磁信号完整性与电源完整性。

Ansys不仅能提供开放式、可扩展且功能强大的仿真平台，也能为多物理场、多尺度设计提供易于使用的开拓性解决方案。Ansys平台可轻松地与其他研发工具和数据源进行集成，创建链接分散各地的研发团队的 “数字主线” ，支持真正的系统级协作。通过鼓励团队协作并支持知识共享，平台帮助全球领先的半导体企业交付创新产品，提高他们首次通过系统的成功率。

目前，全球半导体巨头已在充分利用Ansys HFSS 3D Layout和Ansys多物理场平台来加快其设计工作的进程，许多中小型的制造商还有待去了解系统级建模的益处。Ansys是具有统一数据来源的解决方案提供商，因此这些制造商可以利用Ansys的专业能力，开始采用全新的行业最佳实践。鉴于全球芯片的日益短缺，现在是加快和改进研发工作的最佳时机。

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肖运辉 | Ansys产品技术经理

肖运辉，电磁场仿真软件专家，对电磁场仿真算法体系及相关软件有系统性了解和研究。现任Ansys中国高频产品线技术经理，负责高频行业技术开发和管理工作，对Ansys电磁产品，多物理场耦合产品，Ansys平台方案等有关产品及方案应用有全面的了解和经验。