是否需要对IC开展电磁仿真？Ansys有话说~

本文原刊登于semiwiki.com：《Need Electromagnetic Simulations for ICs? 》

作者： Daniel Nenni

编辑整理：成捷 | Ansys半导体事业部主任应用工程师

自20世纪90年代以来，就已经展开了对芯片金属结构进行电磁（EM）仿真。最初，该分析仅限于单个器件（例如螺旋电感）。随着计算机执行计算的能力日益提升，同时仿真芯片上器件的数量也随之增多，这种发展趋势在近期迎来顶峰：Ansys宣布HFSS可以在30个小时内求解出整个5.5mmx5.5mm 的5G射频集成电路（RFIC）。

数十年来，人们一直使用HFSS这一行业黄金标准精度来求解芯片上结构。但是HFSS是否易于使用，而且仅适合电磁仿真专家使用吗？它是否可以让精通版图和SPICE仿真的芯片设计专家使用？要求设计人员同样也要成为另一款仿真器的专家是否要求过高？设计周期不断缩短，芯片设计人员不能再默默排队等候专门负责核心的电磁仿真专家组进行电磁提取。

为了满足电路设计人员的需求，Ansys研发了RaptorH。在Ansys HFSS的支持下，RaptorH将HFSS求解器整合到原有的RaptorX平台当中，并一并集成到Cadence Virtuoso设计环境当中。这意味着芯片设计人员现在可以在熟悉的Cadence Virtuoso环境下运行自己的HFSS仿真，无需学习新的软件界面。此外，RaptorH也为仿真芯片上结构提供了诸多优势。

RaptorH与Cadence Virtuoso进行集成

第一个优势在于，RaptorH能够满足所有代工厂的标准要求，支持最新至3nm节点的先进工艺加密技术文件，及版图相关效应（LDE）。此优势带来的影响深远，用户不必再为获得准确的模型去猜测后端金属化的专有材料属性和厚度，代工厂也不必再担心泄漏其知识产权。此外，在模型生成中会自动实现对金属的LDE修改，因此用户无需手动读取、解读和修改几何结构。这意味着用户能够准确仿真真正制造出的器件性能。

版图相关效应（LDE）示意图

图左侧的黑色形状是已绘制的形状。图右侧的红色形状显示了这些线的实际制造形状。RaptorH可读取技术文件并自动应用LDE，以获得最精确的模型。

简化几何结构也是在RaptorH流程中自动进行的。使用HFSS仿真芯片上结构的旧工作流程包括只为需要仿真的芯片金属创建简化的版图文件。它还包括在大型金属平面上填充槽和孔，并将过孔简化为一种能够快速有效仿真的结构。RaptorH现在可自动为用户完成这项工作。现在用户只需选择要包含的层级单元以及HFSS将自动填充多大的孔，从而显著节省建模所需的工程时间。

左侧显示的完整版图

自动简化的版图如右侧所示。需要注意的是，有源器件没有被包含在内，一些电感器也有意排除在外并未包含在这里。

RaptorH不仅能读取代工厂的技术文件并为用户简化几何结构，还可自动导出S参数模型并创建Spectre网表文件和symbol。这非常便于在电路仿真中使用电磁模型来验证电路性能。

随着系统的复杂性增加，对于芯片设计人员来说，只对芯片金属进行建模是不够的，因为芯片总是放置在某种类型的封装中。当今的片上系统（SoC）设计通常放置在球栅阵列（BGA）封装中，芯片上的金属与BGA上的金属电磁耦合。RaptorH有助于设计人员导入BGA封装的部件以开展协同仿真，从而获得真正的制造性能。这将避免在设计周期结束时或产品测试过程中发生意外。

由于RaptorH使用了Ansys HFSS中的分布式内存矩阵（DMM）求解技术，因此无需将问题的规模限定在单台机器的RAM容量范围内，DMM技术使工程师能够有效利用现有计算基础设施求解最棘手的问题。除了利用DMM求解大型问题之外，RaptorH还可以在使用高性能计算（HPC）许可的每台机器上运用多个CPU来快速完成仿真。