Gelişmiş Termal Analiz ve Termal Gerilme Yönetimi için Altair Elektronik Tasarım Otomasyonu (EDA)

Bu yazıda Entegre Devre (IC) geliştirme süreci ve termal analiz ve gerilme yönetimi için Altair® SimLab® çoklu fizik platformu hakkında bilgi paylaşılmaktadır. Altair® SimLab® yazılımını ücretsiz denemek için Altair ONE Marketplace’den indirebilir, sorularınızı iletişim formundan iletebilirsiniz.

Hızla gelişen teknolojik ortamımızda, Nesnelerin İnterneti (IoT), otonom araçlar ve yapay zekanın (AI) patlayıcı büyümesi nedeniyle yüksek performanslı entegre devrelere (IC) olan ihtiyaç artmıştır. Bu uygulamalar, muazzam veri hacimlerini hızlı ve verimli bir şekilde işleyebilen IC’lere ihtiyaç duymaktadır. Bununla birlikte, genellikle Moore Yasası olarak adlandırılan geleneksel transistör ölçeklendirme yolu sınırlarına ulaştıkça, yarı iletkenlerdeki işlem düğümlerini ilerletmekle ilgili maliyetler giderek daha külfetli hale geliyor. Paket sistem (SiP) entegrasyonu, özellikle de 3D IC veya chiplet entegrasyonu olarak bilinen yeni bir yaklaşım, bu zorlukları aşmak ve performansı artırmaya devam etmek için ortaya çıkmıştır.

Moore Yasasının Sonu ve Sistem Düzeyinde Ölçeklendirme İhtiyacı

On yıllardır yarı iletken endüstrisi, bir çip üzerindeki transistör sayısının yaklaşık her iki yılda bir ikiye katlanmasını öngören Moore Yasası tarafından yönlendirilmektedir. Bununla birlikte, transistörlerin atomik ölçeğine yaklaştıkça, daha fazla ölçeklendirmenin maliyeti ve karmaşıklığı savunulamaz hale gelmektedir. Bu durum, performans iyileştirmesi için alternatif stratejilerin araştırılmasını gerektirmiştir. SiP entegrasyonu olarak da bilinen sistem düzeyinde ölçeklendirme umut verici bir çözüm sunmaktadır. Birden fazla işlevsel bloğu veya yongayı tek bir pakette birleştirerek, gelişmiş performans ve daha fazla esneklik için farklı işlem düğümlerinin bir karışımını mümkün kılar. Bu yaklaşım, her biri belirli işlevler için optimize edilmiş özel yongaların entegre edilmesine olanak tanıyarak sistem düzeyinde gelişmiş performans sağlar.

Sistem düzeyinde ölçeklendirme veya SiP entegrasyonu, birden fazla işlevsel bloğu veya çipi tek bir pakette birleştirerek umut verici bir çözüm sunar. SiP entegrasyonu, yalnızca transistör ölçeklendirmesine dayanmak yerine, farklı işlem düğümlerinin bir karışımını mümkün kılarak daha fazla esneklik ve daha iyi performans sağlar. Bu yaklaşım, her biri belirli işlevler için optimize edilmiş özel yongaların tek bir pakete entegre edilmesini sağlayarak sistem düzeyinde gelişmiş performans elde edilmesine olanak tanır.

SiP’in Faydaları

SiP entegrasyonu üç farklı avantaj sunar:

• Performans: 3D IC entegrasyonu, farklı teknoloji düğümlerinden yongaların bir araya getirilmesini kolaylaştırarak tasarımcıların her bir düğümün avantajlarından yararlanmasını sağlar. Bu strateji, yüksek performanslı bileşenleri entegre ederek üstün genel sistem performansı sağlar.
• Maliyet: SiP entegrasyonu, belirli işlevler için optimize edilmiş çipler kullanarak tüm monolitik çipler için ölçeklendirme maliyetlerini azaltır. Mevcut yongaların yeniden kullanılmasını sağlar ve hazır bileşenleri entegre ederek kaynak kullanımını optimize eder ve geliştirme maliyetlerini düşürür.
• Farklı İşlem Düğümlerinin bir karışımı: SiP entegrasyonu, farklı işlem düğümlerinden yonga setlerini tek bir pakette birleştirme esnekliği sunarak tasarımcıların her bir yonga seti için performansı, güç tüketimini ve maliyeti optimize etmesine olanak tanır. Bu da genel olarak üstün bir sistem tasarımına yol açar.

Gelişmiş EDA Araçlarına Duyulan İhtiyaç

SiP entegrasyonunun sunduğu faydalara rağmen, ele alınması gereken önemli zorluklar vardır. Diğer şeylerin yanı sıra, aşağıdaki büyük zorluklarla karşı karşıyayız:

• Termal ve Güç Dağıtımı: Daha küçük bir ayak izine daha fazla işlevsellik entegre edildiğinden, 3D IC entegrasyonu güç yoğunluğunu artırarak daha yüksek termal dağılım seviyelerine yol açar. Etkili termal yönetim, aşırı ısınmayı önlemek ve güvenilir çalışmayı sürdürmek için kritik hale gelmektedir.
• Termal Gerilme: 3D IC’lerde ısının yayılması sıcaklık gradyanları oluşturarak paket içinde termal gerilmeye neden olabilir. Bu termal gerilmeler ara bağlantı arızaları, çarpılma ve delaminasyon gibi güvenilirlik sorunlarına yol açabilir.

Ayrıca, bu sistem düzeyindeki zorlukların üstesinden gelmek için özel olarak tasarlanmış Elektronik Tasarım Otomasyonu (EDA) araçları sınırlıdır. Geleneksel EDA araçları öncelikle bireysel çip tasarımına odaklanır ve bu sistem düzeyindeki zorlukları ele alacak kapsamlı yeteneklerden yoksundur. 3D IC entegrasyonunun getirdiği bu yeni zorlukların üstesinden başarıyla gelmek için doğru termal ve güç analizi, termal gerilme simülasyonu ve sağlam tasarım optimizasyonu yapabilen gelişmiş EDA araçlarına ihtiyacımız var. Bu araçlar, tasarımcıların tasarım sürecinin erken aşamalarında bilinçli kararlar almasını sağlayarak güvenilir çalışma sağlayacak ve 3D IC entegrasyonuyla ilişkili potansiyel sorunları azaltacaktır.

Altair® SimLab® Çoklu Fizik Platformu

Çoklu fizik bir Elektronik Tasarım Otomasyonu (EDA) çözümü olan Altair® SimLab®, mühendislere termal endişelerle başa çıkma imkanı sunar. EDA çözümü, her bir yonganın boyutu, mikro bump sayısı, paket boyutları, katman sayısı, BGA konfigürasyonu ve her bir yonganın güç tüketimi gibi yüksek seviyeli özelliklerden yararlanarak sıfırdan bir 3D IC sistemi oluşturabilir ve termal açıdan zemin planını doğrulamak için titiz “what-if” analizleri gerçekleştirebilir.

SimLab®, mühendislere 3D IC tasarımının yüksek seviyeli özelliklerini girmeleri için sezgisel bir arayüz sağlar. Mühendisler güç yoğunluğu, termal iletkenlik ve ısı dağılımı özellikleri gibi parametreleri aynı anda değerlendirerek sanal bir 3D IC prototipi oluşturabilirler. Bu sanal model daha sonra gelişmiş termal analiz ve termal gerilme simülasyonlarına tabi tutulur.

SimLab® çözümünün gücü, kapsamlı “what-if” analizleri yapabilmesinde yatmaktadır. Mühendisler, 3D IC sistemi içindeki potansiyel termal sıcak noktaları, zayıf noktaları ve strese eğilimli alanları belirlemek için çeşitli zemin planı konfigürasyonlarını, güç profillerini ve soğutma mekanizmalarını keşfedebilirler. Bu yetenek, tasarımcıların termal performansı optimize etmek ve nihai üründe güvenilirliği sağlamak için bilinçli kararlar almalarını sağlar.

Sonuç

IoT, otonom arabalar ve yapay zekanın ortaya çıkmasıyla yüksek performanslı IC’lere olan talep artmaya devam ederken, 3D IC entegrasyonu transistör ölçeklendirmesinin sınırlamalarının üstesinden gelmek için uygun bir yol sunuyor. Tasarımcılar SiP entegrasyonunu benimseyerek performans, maliyet optimizasyonu ve farklı işlem düğümlerinin karışımının avantajlarından yararlanabilirler. Ancak bu paradigma değişimini başarılı bir şekilde benimsemek için sektörün 3D IC entegrasyonunun getirdiği benzersiz zorlukları ele alabilecek gelişmiş EDA araçları geliştirmeye yatırım yapması gerekmektedir. Ancak bu bütünsel yaklaşım sayesinde SiP entegrasyonunun tüm potansiyelini ortaya çıkarabilir ve geleceğin sürekli artan performans taleplerini karşılayabiliriz.