探索芯片设计/结构散热/信号完整性解决方案，从显卡芯片仿真说起

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：3月14日消息，据中国台湾《工商时报》报道，为应对地缘政治风险，戴尔计划在2026年排除中国大陆芯片设计厂商及中国大陆制造的芯片。

一、显卡的芯片仿真问题

我国芯片行业卡脖子，主要是在于高端制程领域。国内最高制程能力是14nm，但受限制裁只也能制造不能量产。正因如此，国外的一些高端芯片我们根本没法自行生产，并且在美国的封锁下，有一些可能成功苗头的公司很快就会被美国上了禁令而遭受重创。

显卡芯片就是一种利用高制程才能获得高性能典型。在人工智能、大数据等计算需求旺盛的时代，显卡畅销，推动NVIDIA这样的顶级显卡公司股票飞涨。A100是NVIDIA的畅销卡代表，7nm的制程。在这张卡里除了制造问题外，设计也是有很多学问和困难。

这张卡中心是芯片，利用2.5D封装将6个HBM(High bandwidth memory)和一颗GPU合封在interposer上面，并且将芯片molding一起，然后背面磨掉露出硅来散热。这里面有散热，力学以及信号完整性等各种问题。

该卡是全长全高（Full length full height） form factor， 300W功耗，双卡槽风冷或者单卡槽水冷。尺寸和功耗是确定散热方法最重要的参数。通常散热仿真需要把从热源开始到散热器全部建模，原因是需要构建最重要的热通路，热通路的特点就是热阻相对最小热流密度最大的导热路径。在构建过程中，所有会影响热通路热阻的特征都要仔细建模。比如硅背面和散热器之间的导热硅脂，是可能有很大热阻的。热量主要导热路径就是从GPU通过导热硅脂到散热器过程。当然还有个对热极其敏感的HBM在旁边。

HBM是个多层的器件，利用TSV(Through silicon via)和Microbump将每一层DRAM器件连接在一起。每一层的Microbump需要有underfill或者molding保护。这多层异质结构会引起内部应力以及散热问题，因为每层之间由于保护材料导热极差（小于1W/m.K），不管选择从上面还是下面导热，另外一边的层都需要经过多层microbump层而导致热阻极大，多层之间温差大而应力大导致HBM性能不稳定甚至失效。

说到应力，是属于力学范畴，就不能不说翘曲。翘曲分析是封装设计必须做的评估。翘曲指的是由于异质结构的CTE(Coefficient of temperature expansion)不同，整个封装会在升温或者降温过程下导致bump焊接面的不平，bump会有断开、虚焊、桥接接等各种问题，最终导致焊接失败或者失效。焊接问题是封装失效的主要问题，也是大量工程师和科研人员研究的问题。

最后这样一个高性能计算显卡（high-performance computing (HPC) graphics card），芯片计算过程中需要随时与HBM进行数据交换，同时整个卡与背板的交换机（Switch）也需要高速通信，使用PCIe Gen4的协议。这些所谓的高速都是指data rate，即每秒的传输量，单位是GB/s。速率提高会带来信号完整性问题（Signal Integrity），导致接收器件不知道信号发生器件在说什么。GPU和HBM的通信协议和GPU与switch的通信协议是不同的，因为使用场景不同。GPU与Switch之间由于路程较长，损耗较大，PCIe的协议有弥补大损耗的特点，而且通道数量并不多，因为大量的通道数会占用大量板上面积以及IO数量。GPU和HBM之间协议则可以使用大量通道数量，单个通道不需要太高，因为通过interposer走线线宽可以很窄，从而节约面积。但它们共同特点是都不会有太多margin，需要非常仔细的仿真与校核，保证项目成功落地。

A100的技术难点并不只是在芯片的制造上面，更多的多领域工程师配合完成的作品。现在摩尔定律将要达到极限，高制程的神话或许即将终结，我国的芯片发展也是遇到百年难遇的契机。

二、芯片设计仿真技术

现在Chiplet的封装方案被认定为延续摩尔定律的最佳解决方案，也是利用interposer将各个不同功能芯片封装在一起，做出多层功能芯片利用TSV连接在，被称为3D封装。HBM就是一种3D封装，不过是属于小规模的3D封装，大规模的3D封装中热、应力以及信号完整性问题会更加严峻，等待有经验的工程师去解决。

3月23日至4月20日，仿真秀将邀请芯片行业资深的芯片封装工程师带来6场讲座，一起探索芯片设计、结构散热、SIPI和EMC仿真解决方案。请点击下文报名任意报告观看或回放。

报告一：ECAD导入芯片结构及热仿真技术专题（点击图片观看）

报告时间：3月23日19时30分

主讲嘉宾：曾家麟中央大学机械工程博士，仿真秀专栏作者，某知名厂商仿真团队技术总监，加拿大国研院计算中心访问学者/西门子流体仿真顾问，从事ANSYS CFD及CAE等仿真技术近20年。历任国内外电子厂及系统厂仿真设计主持人，并从事科研单位合作，培养国内仿真水平，针对结构、流体、热传及多物理场耦合相关应用具备丰富客户与设计经验，熟知产业结构痛点、流体设计及散热议题，并具备上百个客户项目经验。目前职司国内知名厂商工程技术团队负责人，协助解决客户各方面仿真应用问题。

用户得到：通过本讲座，用户可以清晰芯片级仿真系统中ECAD如何导入Icepak做热仿真，及热仿真相应耦合入Mechanical做结构计算，如翘曲等问题。相关的设置及技巧也会在分享中逐一解释与呈现。

ANSYS ECAD技术介绍
Icepak ECAD热仿真方法
Mechanical ECAD结构仿真方法
电路/热/结构联合仿真技术

如何报名：（点击下图观看，支持朋友圈分享观看）

报告二：芯片封装基板设计专题（点击报名观看）

报告时间：3月30日19时30分

主讲嘉宾：Jacky_杨，桂林电子科技大学硕士，仿真秀专栏作者，主要从事封装基板设计，包括封装基板设计（2-10层以上，包括BT基板和ABF板，框架（传统QFN框架和MiS框架设计），仿真包括封装热仿真（输出热阻和结温等），封装应力仿真（包括封装翘曲和应力等），电仿真（包括信号完整性和电源完整性等）；熟悉国内外多家基板厂工艺能力和封装工艺能力，参与的封装基板项目包括WB-LGA设计、WB-BGA设计、FC-BGA设计、WB-FCBGA设计、POP设计、堆叠设计、埋入设计等，其中覆盖的产品类型包括军工、医疗、电源等。

用户得到：讲座主要围绕项目前期如何进行基板评估以及评估需要注意事项等，另外，还介绍了国内基板厂通用的基板设计规范和封装设计规范，最后展示实际案例成果。

报告三：散热仿真在封装中的应用（点击这里报名观看）

报告时间：4月8日19时30分

主讲嘉宾：惊堂木电子封装系硕士，仿真秀专栏作者，某知名芯片厂封装仿真工程师，熟悉封装领域散热设计与应力仿真。

用户得到：讲座将分享芯片封装领域的一些热仿真研究的内容。JEDEC热阻测试标准与热仿真模型; 单芯片热阻网络模型的应用与热阻网络的提取; 瞬态热仿真与瞬态热阻的应用; 最后分析一些常见封装散热优化方案。

JEDEC 热测试标准解读与对应热仿真模型;
封装中复杂热阻网络模型提取与应用;
封装瞬态热阻(R-C热阻抗)介绍;
封装散热优化方案分享。

报告四：芯片SIPI/EMC仿真关键技术和解决方案（点击这里报名观看）

报告时间：4月15日19时30分

主讲嘉宾：张宗兵，高级电磁应用工程师，仿真秀专栏作者，研究生学历，多年电磁CAE工程经验，毕业于西安电子科技大学，无线电物理专业，计算电磁学方向，师从郭立新教授，高级职称，工作前几年专门设计电磁产品，包括天线，滤波器，连接器，耦合器，阻容感，芯片等等微波部件，后工作于ANSYS业务专门做电磁产品技术支持，任高级电磁应用工程师，解决大量电磁仿真及EMC设计仿真问题。

报告五：5G高速互连仿真技术与射频毫米波PCB设计（点击这里报名观看）

报告时间：4月20日19时30分

主讲嘉宾：林超文，实战型高速PCB设计专家，仿真秀专栏作者，深圳市英达维诺电路科技有限公司总经理，著有《Altium designer实战攻略与高速PCB设计》、《高速高密度PCB设计攻略》等多本PCB工程技术著作。

擅长高速高密度PCB设计，并高效指导研发人员开展高速PCB设计，提高产品开发效率、提升产品设计质量。通过长期不懈的学习、探索与总结，已初步形成了一套系统化高速PCB设计的实践经验及理论。目前专注于为企业提供信号完整性设计、PCB Layout设计、高速PCB设计及仿真培训等服务，已为百余家企业提供信号完整性设计及培训服务。