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第 5 卷 第 8 期 新一代信息技术 Vol.5 No.8 2022 年 4 月 NEW GENERATION OF INFORMATION TECHNOLOGY Apr.2022 通讯作者:余昭杰(1986)，毕业于吉林大学微电子学与固体电子学专业，现就职于工业和信息化部电子第五研究所，赛宝智库信息技术应用创新方向高级研究员，主要从事电子信息产业链供应链数据库建设、产业链供应链风险评估、产业链供应链竞争力指数评价等研究。DOI:10.3969/j.issn.2096-6091.2022.08.044 EDA 仿真技术在芯片适配验证中 的应用研究 余昭杰，高 滢(工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511370)摘 要：芯片适配验证是指通过仿真、测试、分析等技术方法对芯片与板卡的适配性进行综合评判。在开展测试、分析前，预先采用 EDA 仿真技术对芯片适配验证的可行性进行初步研判，有助于降低适配验证成本、提高适配验证效率。本文探索了电、热、机械和可靠性等 EDA 仿真技术在芯片适配验证中的应用方法，并通过一个具体案例展示其应用成效。关键词：芯片；适配验证；EDA 仿真技术；应用研究 本文著录格式：余昭杰，高滢.EDA 仿真技术在芯片适配验证中的应用研究J.新一代信息技术，2022，5(8):144-149 中图分类号：TN492 文献标识码：A Application of EDA Simulation Technology in Chip Adaptation Verification YU Zhao-jie,GAO Ying(The Fifth Electronic Research Institute of the Ministry of Industry and Information Technology,Guangdong Guangzhou 511370)Abstract:Chip adaptation verification refers to the comprehensive evaluation of the adaptability between chip and board through simulation,test,analysis and other technical methods.Before testing and analysis,EDA simulation technology is used to preli-minarily study and judge the feasibility of chip adaptation verification,which helps to reduce the cost of adaptation verification and improve the efficiency of adaptation verification.This paper explores the application methods of EDA simulation technolo-gies such as electricity,heat,machinery and reliability in chip adaptation verification,and shows its application results through a specific case.Key words:chip;adaptation verification;EDA simulation technology;application research Citation:YU Zhao-jie,GAO Ying.Application of EDA Simulation Technology in Chip Adaptation VerificationJ.New Genera-tion of Information Technology,2022,5(8):144-149 0 引言 当前，欧美一方面建立芯片等关键产品逐步去中国化的供应链体系，另一方面在芯片、软件等增加对我国的出口限制，建立多元化的芯片供应链体系已迫在眉睫，芯片适配验证是支撑建立多元化供应链体系的关键环节之一。本文以某款 FLASH 存储器的适配验证为例，探析了电、热、机械和可靠性等 EDA 仿真技术在芯片适配验证中的应用。1 概述 某款 FLASH 存储器拟适配通信板卡，该通信板卡由1 片数字信号处理器（TI，SM320F2812PGFMEP）、1 片现场可编程逻辑器件（XILINX，XC2V1000-4FG456I）和 1 片 Flash 存储器组成主系统。通信板 图 1 通信板卡版图 Fig.1 communication board layout 8 期 余昭杰等:EDA 仿真技术在芯片适配验证中的应用研究 145 卡为不规则多边形，最长尺寸 144144 mm，其中位号为 D15 的位置为 FLASH 存储器安装处。电路板共 12 层、厚度为 4.63 mm，板卡绝缘材料为 FR4，导电材料为铜。2 EDA 仿真技术在芯片适配验证中的应用流程 EDA 仿真技术在芯片适配验证中的应用流程主要包含两部分，一是单项仿真分析，包括电学特性仿真分析、热学特性仿真分析、机械特性仿真分析和可靠性仿真分析，二是综合评判，即基于需求分析和单项 EDA 仿真结果给出芯片适配性评判。3 单项 EDA 仿真分析 采用 Cadence、HyperLynx、ANSYS 和 Calce PWA 等 EDA 软件开展单项仿真分析，形成仿真结果并初步判断新芯片的单项适配性。3.1 信号完整性仿真分析 参考文献1的方法，对 FLASH 存储器周边关键信号网络开展信号完整性分析，获取其 V/T 曲线。以下是某关键节点的信号完整性结果（横坐标为时间（ns），纵坐标为电压（V）。信号完整性分析结果显示，新芯片的信号特性与原芯片的的信号特性接近，说明新芯片与原板卡适配性比较好，因此在接口电性能上无须对通信板卡的网络进行修改。3.2 热学仿真分析 参考文献267提取芯片热阻，并对板卡在70、55、40、55下的工作情况进行 原芯片板卡、拟适配新芯片的板卡需求分析EDA仿真分析：信号完整性仿真 热仿真 机械振动仿真 可靠性仿真单项仿真结果比对：时序、V-I等信号完整性比对分析 温度云图、结温等温度特性比对分析 位移云图、加速度云图等振动特性比对分析 失效机理及失效前时间等寿命特性比对分析适配性综合评判环境应力：温度值温度变化率振动应力芯片模型、参数：主要性能参数IBIS模型3D模型热、机械仿真参数板卡模型、参数：焊点热分析模型材料属性输入输入 图 2 电、热等 EDA 仿真技术在芯片适配验证中的应用流程 Fig.2 application process of EDA simulation technology such as electricity and heat in chip adaptation verification 原芯片（original chip）新芯片（new chip）图 3 某关键节点的信号完整性结果 Fig.3 signal integrity results of a key node 146 新一代信息技术 2022 年 仿真，获取板卡温度云图和芯片温度云图。下面列举出工作温度为 70的仿真结果。通过对 70工作环境温度下板卡、芯片温度数据进行统计，得如下结果：原板卡平均温度为 83.7，温升 13.7，原芯片平均温度为 81，温升 11；新板卡平均温度为 83.8，温升 13.8，新芯片平均温度 73.5，温升 3.5。新芯片较原芯片平均温度低 7.5，主要由于新芯片体积较大、功耗较小、封装材料（陶瓷）导热系数较大造成的。新芯片的温度适配性较好，无需更改散热方式。3.3 振动仿真分析 板卡通过螺钉固定于机架上，故对螺钉处节点施加全约束，并将约束载荷置于载荷集 Constraints中。参考文献35的方法，获取板卡前三阶模态振型，下面展示的是一阶模态。原板卡（original board）新板卡（new board）图 4 工作温度为 70的板卡仿真结果 Fig.4 simulation results of board with working temperature of 70 原芯片（original chip）新芯片（new chip）图 5 工作温度为 70的芯片仿真结果 Fig.5 simulation results of chip with working temperature of 70 原板卡（original board）新板卡（new board）图 6 一阶模态仿真结果 Fig.6 first order modal simulation results 8 期 余昭杰等:EDA 仿真技术在芯片适配验证中的应用研究 147 原板卡位移云图（original board）新板卡位移云图（new board）图 7 板卡位移云图 Fig.7 board displacement nephogram 原板卡加速度云图（original board）新板卡加速度云图（new board）图 8 板卡加速度云图 Fig.5 board acceleration nephogram 原芯片位移云图（original chip）新芯片位移云图（new chip）图 9 芯片位移云图 Fig.9 chip displacement nephogram 在完成模态分析的基础上开展随机振动分析，获取板卡位移云图、板卡加速度云图，以及芯片位移云图、芯片加速度云图，如下。模态分析结果显示，新板卡和原板卡模态振型大致相同，固有频率相近。随机振动响应结果也显示，原板卡、新板卡、原芯片、新芯片的位移与加速度响应相近。新芯片的振动适配性较好，无需更改固定方式。3.4 可靠性仿真分析 从工作环境温度为55、40、55和 70的热仿真结果中获取芯片平均壳温和芯片安装位置 148 新一代信息技术 2022 年 原芯片加速度云图（original chip）新芯片加速度云图（new chip）图 10 芯片加速度云图 Fig.10 chip acceleration nephogram 原芯片平均寿命（original chip）新芯片平均寿命（new chip）图 11 芯片平均寿命 Fig.11 average life of chip 的板卡表面平均温度，并按照工作环境剖面将温度数据输入 Miner 模型模型48910公式中，或者通过 calcePWA 等软件开展。定义并加载芯片实际剖面后，即可以对集成电路进行寿命预计。结果显示，原芯片失效状态为热失效、失效循环数为460478，新芯片失效状态为热失效、失效循环数为293054。平均寿命仿真结果显示，新芯片与原芯片平均寿命都超过 10950 次循环次数(30 年365 天/年1cycle/天，即 30 年)，但新芯片平均寿命比原芯片要缩短 36%。新芯片在平均寿命方面的适配性不如原芯片。4 结论 信号完整性分析结果显示，新芯片的信号特性与原芯片的信号特性接近，新芯片与通信板卡的适配性比较好。热仿真结果显示，新芯片结温较原芯片结温降低，且满足 I 级降额要求。振动仿真结果显示，新芯片对电路板的模态振型、固有频率以及振动位移影响不大，振动适配性较好。平均寿命仿真结果显示，新芯片与原芯片寿命都超过 1 万个循环次数，但新芯片平均寿命比原芯片要缩短 36%，满足不短于原芯片平均寿命十分之一的要求。综合上述分析，新芯片可以初步适配通信板卡。参考文献 1 崔斌,王文炎,王喆,等.基于IBIS模型的FPGA信号完整性仿真验证方法J.电子技术应用,2019,45(06):54-57.2 余昭杰,于迪,任艳,等.FloTHERM仿真技术在提取集成电路封装双热阻模型中的应用J.科技视界,2016(05):104-105.3 胡博,陈平玭,邓明.可靠性仿真试验在机载电子产品上8 期 余昭杰等:EDA 仿真技术在芯片适配验证中的应用研究 149 的应用J.装备环境工程,2021,18(12):31-36.4 田耀亭.国产二次集成电路的主要失效模式J.电子产品可靠性与环境试验,1997(04):75-76.5 秦冲.基于ANSYS的印制电路板装配体的PSD分析J.漯河职业技术学院学报,2014(05):19-21.6 郝毫保,管祥生,陈洁坤,等.基于热模型的PCB内部散热设计的研究J.电子元件与材料,2016,35(04):76-79.7 王永康.Ansys Icepak电子散热基础教程M.北京:国防工业出版社,2015.8 张伟,王文岳,钱思宇,等.基于失效物理的可靠性仿真技术发展现状研究J.电子世界.2020(03):25-28.9 陈选龙,李洁森,黎恩良,等.基于失效物理的集成电路故障定位方法J.半导体技术.2019,44(04):307-312.10 梁奕坤,胡宁,黄进永,等.基于失效物理的可靠性仿真技术及软件设计J.电子产品可靠性与环境试验.2016,34(03):76-79.余昭杰(1986)，毕业于吉林大学微电子学与固体电子学专业，现就职于工业和信息化部电子第五研究所，赛宝智库信息技术应用创新方向高级研究员，主要从事电子信息产业链供应链数据库建设、产业链供应链风险评估、产业链供应链竞争力指数评价等研究。（上接第 140 页）3 朱永青.分层技术在计算机软件开发中的运用J.电子技术与软件工程,2021(22):45-47.4 冷艳萍.浅析分层技术在计算机软件开发中的应用J.农村经济与科技,2021,32(20):303-305.5 孙磊.分层技术在计算机软件开发中的应用J.电子世界,2021(19):166-167.6 黄峻峰.分层技术在计算机软件开发中的运用J.信息记录材料,2021,22(10):108-109.7 吴婷.分层技术在计算机软件开发中的运用J.无线互联科技,2021,18(17):31-32.8 王晓华.关于计算机软件技术中分层技术的应用思考J.数字通信世界,2021(08):48-49+69.9 李申.分层技术在计算机软件开发中的应用研究J.无线互联科技,2021,18(13):45-46.10 杨晓丹.计算机软件开发中分层技术的应用探讨J.电脑编程技巧与维护,2021(06):60-61+107.11 代田凤.分层技术在计算机软件开发中的应用C.2016智能城市与信息化建设国际学术交流研讨会论文集.2016:90.12 刘利华.简述分层技术在计算机软件开发中的应用C.探索科学2016年5月学术研讨.2016:85-86.崔宁(1981)，女，硕士研究生，副教授，研究方向：软件工程、算法分析。