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

作者：Aaron Edwards | Ansys高級應用工程經理

編輯整理：趙陽 | Ansys中國技術支持工程師

使用Ansys HFSS 3D Layout只需34個小時，就能生成并求解上方這個復雜的PCB封裝模型，而如果使用其他方法則需要花費數周才能完成。

如今的半導體制造商承受著巨大的壓力，因為他們需要以更快的速度設計出功能更強大的芯片和印刷電路板（PCB），在減輕信號完整性問題的同時，縮小外形尺寸。這會帶來什么樣的結果呢？答案是巨大的設計復雜性，因為制造商需要不斷縮小的間距，來堆疊越來越多的組件。

但設計復雜性并非是唯一的問題。日益普及的5G、自動駕駛汽車和物聯網（IoT）等市場應用，正迫使半導體制造商不僅需要專注于創新發展，還需要快速地推出極致創新。目前全球范圍內的車用芯片短缺，這是半導體制造商面臨著極為嚴苛的要求，以及瞬息萬變的市場環境的例證之一。還有比如，三星宣布，由于芯片短缺的問題，可能需要延遲推出其新一代Galaxy Note智能手機。

數十年來，利用Ansys HFSS開展建模和仿真，全球領先的半導體公司解決了一系列的研發與產品發布難題。自1990年以來，Ansys不斷推出新功能和新特性，預測并解決半導體行業客戶面臨的新挑戰，而毫不意外的，現在Ansys HFSS的新功能結合諸如云計算等通用技術的發展，也為客戶設計并推出更小型、更強大、更具創新性的芯片提供了支持，助力他們緊跟市場需求的速度。

這些發展中最為突出的是HFSS中一項較新的功能，稱為3D Layout。它能幫助工程師在系統級、快速準確地裝配最為復雜的設計。這是一種顛覆性的進步，可幫助半導體制造商在不影響產品可靠性或可信度的前提下，更高效地進行競爭并滿足市場需求，因為系統仿真使用的是作為黃金標準的HFSS求解器。

在過去，通過Ansys完成的芯片設計是一個順序化、組件級的流程，受仿真求解時間、幾何模型網格劃分能力 、處理速度以及其他技術考量因素等的限制。但如今這些限制因素已經不復存在，恰好幫助半導體制造商將最復雜的芯片和電路板設計當作集成系統進行求解，將求解速度提升到了新的水平。

通過幫助工程師為包括集成電路（IC）封裝、連接器和電路板在內的完整信號路徑建模，Ansys HFSS 3D Layout不僅揭示了組件級的設計缺陷，也揭示了組件間信號損耗等任何系統級集成問題或耦合問題。半導體研發商不必采用分而治之的方法，讓不同的工程團隊使用不同的工具順序地設計從IC到IC信號路徑的不同部分，而是可以借助統一的、行業標準的解決方案，一次性裝配完整的信號路徑。

這種方法由于省去了人工操作，不僅能讓生產力和效率更高，還能幫助設計團隊在設計非常早期階段發現系統級的問題，而此時解決問題的成本也較低。此外，HFSS 3D Layout支持設計自動化，便于充分利用現有的PCB產品設計，最大限度地減少返工和迭代。

HFSS 3D Layout能顯著節省時間與成本。如今，工程師僅需34個小時就能為PCB設計進行建模，該設計包含一個安裝在SODIMM板上的8個兩層倒裝芯片的BGA封裝，且該SODIMM板插入安裝在主板上的連接器上，總計64個網絡和128個端口。而如果使用組件級的順序化方法，這個模型則需要數周的時間才能生成。

這種顛覆性的速度與性能，是如何實現的呢？首先，在作為業內標準的網格劃分功能的基礎上，Ansys大幅改進了網格劃分能力，能快速輕松地為幾何模型最復雜的封裝建模。其次，Ansys求解器經過了改進，即便是處理最復雜的電磁問題，用時也僅為過去所需用時的幾分之一。最后，Ansys解決方案現在能訪問云計算資源，包括運行在Microsoft Azure上的Ansys Cloud，增加了求解芯片設計等數值規模巨大的問題可用的RAM和計算節點。當所有這些技術進步完美結合在一起，就為完整的3D系統級模型提供了行業速度最快、最準確的求解方案。

除了HFSS 3D Layout出眾的功能、速度、深度和廣度之外，Ansys還可為PCB與芯片多物理場仿真提供業界罕有的綜合性仿真平臺。多物理場仿真可幫助半導體研發團隊加快許多設計步驟，在虛擬設計環境下以集成系統的方式，在逼真運行條件下測試硅片、封裝和電路板的性能。

電子工程師面臨的最嚴峻的物理挑戰之一，是在許多組件相鄰堆疊的情況下管理熱積聚的自然趨勢。除了熱效應之外，半導體工程團隊不僅須考慮整體封裝的結構要求，還須考慮現實條件下的電磁信號完整性與電源完整性。

Ansys不僅能提供開放式、可擴展且功能強大的仿真平臺，也能為多物理場、多尺度設計提供易于使用的開拓性解決方案。Ansys平臺可輕松地與其他研發工具和數據源進行集成，創建鏈接分散各地的研發團隊的 “數字主線” ，支持真正的系統級協作。通過鼓勵團隊協作并支持知識共享，平臺幫助全球領先的半導體企業交付創新產品，提高他們首次通過系統的成功率。

目前，全球半導體巨頭已在充分利用Ansys HFSS 3D Layout和Ansys多物理場平臺來加快其設計工作的進程，許多中小型的制造商還有待去了解系統級建模的益處。Ansys是具有統一數據來源的解決方案提供商，因此這些制造商可以利用Ansys的專業能力，開始采用全新的行業最佳實踐。鑒于全球芯片的日益短缺，現在是加快和改進研發工作的最佳時機。