Simulare l’alta velocità

SIMULAZIONE –

In un mondo che cambia, è necessario aggiornare i metodi di progettazione utilizzando strumenti di simulazione multifisici e di sistema.

Nell’arena dei semiconduttori, i transistor continuano a divenire più piccoli, ad oggi meno di 28 nanometri. Gli stessi Pcb sono sempre più complessi grazie a tecnologie che permettono di aumentare il numero di strati generando profonde implicazioni per chi deve progettarli: non riuscire a prevedere hot spot locali significa infatti inficiare l’affidabilità, degradare le performance, aumentare le potenziali interferenze elettromagnetiche. Si innescano poi fenomeni fastidiosi come l’elettromigrazione e il suo effetto è tanto importante quanto più i conduttori sono percorsi da corrente ad alta intensità e, nel caso dei Pcb, in particolare nei vias o nei bondwire per i quali è necessario verificare la massima densità di corrente che li attraversa. Questo fenomeno porta con sé stress di tipo termo meccanico (per esempio perdita di una interconnessione) e l’incidenza del fenomeno è tanto più pronunciato quanto più si riducono le dimensioni dei circuiti. Un altro banco di prova riguarda la trasmissione dei segnali: la necessità di aumentare la velocità porta a problemi di compatibilità elettromagnetica, mentre la richiesta di diminuire i consumi per ottenere una maggior durata della batteria genera problemi di signal integrity, controllo delle perdite e del rumore. Inoltre la tendenza alla miniaturizzazione si scontra con quella di avere antenne multiple in un unico dispositivo e con la necessità di garantire il raffreddamento del sistema. La simulazione numerica consente di gestire questa complessità. In particolare la suite che fino a tre anni fa era identificata dal marchio Ansoft, dopo essere stata acquisita e integrata nell’ambiente Ansys, ha tool capaci di analizzare sia il dettaglio del componente che il sistema nella sua interezza, tenendo in considerazione fenomeni elettromagnetici, termici e strutturali.

La necessità di aggiornare
la metodologia di progettazione

Mentre le richieste che arrivano agli ingegneri dai vertici aziendali sono per un incremento esponenziale delle prestazioni, la metodologia di base e il workflow seguito per progettare prodotti elettronici non è cambiato di molto negli ultimi 25 anni. Per prima cosa, viene disegnata l’architettura del prodotto; poi questa architettura è divisa in moduli che sono assegnati a ciascun ingegnere, ognuno focalizzato sullo sviluppo, prototipazione e validazione di un singolo componente. Tipicamente, quando il modulo raggiunge le prestazioni richieste dalla specifica di progetto viene integrato nel sistema che va incontro ad una nuova fase di verifica. Questo approccio iterativo ha funzionato in passato, ma è oggi completamente superato perché consuma troppe risorse, in particolare le ore uomo, e porta ad un time to market troppo lungo. L’obiettivo che ci si pone attraverso la simulazione è quello di identificare immediatamente il problema a livello di sistema, in modo che i componenti possano essere ottimizzati per rendere al massimo proprio quando funzionano insieme. Diventa quindi sempre più importante essere in grado di ottimizzare il progetto sulla base di diverse variabili. Ad un macro livello parliamo sempre della triade tempi, costi, qualità, che può essere poi meglio esplosa in tutte le sue sfaccettature tecniche: consumo energetico, resistenza all’usura, peso, funzionalità... Quello che conta è poter svolgere un numero elevato di analisi, di verifiche “what if” per prevedere il comportamento del prodotto sotto ogni ipotesi, cambiando ogni singolo aspetto del progetto potendone verificare e comprendere gli impatti sulle performance. Questo è possibile solo in ambienti virtuali.

L’integrazione dei simulatori
che fa la differenza

Se è assodato che la simulazione sia uno strumento sempre più indispensabile, è cambiato molto, negli ultimi anni, l’approccio degli utenti evoluti a questi software. Lo strumento è spesso stato usato, infatti, per indagare un aspetto specifico del progetto. Può accadere così che mentre chi si occupa degli aspetti termici abbia ottenuto dalla sua analisi indicazioni specifiche sulla problematica termica, che evita ad esempio il verificarsi di un hot spot, l’ingegnere che lavora sull’integrità dei segnali (signal integrity) e sulla rete di distribuzione della potenza (power integrity) sia contrario a questa scelta perché aumenterà le emissioni RF e comprometterà la Fcc compliance. Entrambi questi progettisti stanno lavorando con uno strumento di simulazione, ma nessuno degli strumenti che usano è in grado di prendere in considerazione entrambi i fattori e aiutare a prendere decisioni per ottimizzare il prodotto. Per questo l’adozione di tool multifisici rappresenta un passo importante per le aziende, nella loro ricerca di aggiornare il modello di progettazione e allinearlo con le richieste del mercato. All’interno di suite come Ansys si possono modellare con facilità interazioni tra il mondo elettromagnetico, il trasferimento termico, l’analisi strutturale ed effetti fluidodinamici. L’obiettivo è simulare l’intero prodotto, nelle condizioni di funzionamento in cui si troverà ad operare, consentendo di prevederne il comportamento nel modo più accurato possibile. Ansys ha un programma che è iniziato con l’acquisizione e l’integrazione dei tool Ansoft (HFSS e SIwave in primis insieme a Designer, Q3D, TPA) e che è proseguito con Apache, leader mondiale per le simulazioni in ausilio alla progettazione di circuiti integrati a basso consumo energetico, per un’analisi completa Cps (Chip-Package-System). Ansys Designer è diventato quindi uno strumento ancor più potente, all’interno del quale il progettista riesce a simulare in uno stesso schema un sistema dal punto di vista circuitale e, grazie all’integrazione dinamica con i tool 3D, anche elettromagnetico. Questo significa poter impiegare modelli complessi 3D, ciascuno simulato con un tool appropriato, per capire come i reali segnali elettrici in un canale si propagano e vengono influenzati elettromagneticamente. Casi tipici sono le analisi dei segnali di clock, di dati e in generale quei segnali che partono dal Vrm e arrivano fino al chip o ancora in sistemi come quello composto dalle interfacce ad alta velocità (ethernet, Pci Express, Ddr). Grazie a SIwave è possibile fare il merging di package-on-board o più package tra loro su una board fino ad arrivare al modello Cpm del chip, per cui è chiara la totale integrazione dei 3rd party layout tool con la suite Ansys. Inoltre, grazie ai tool Ansys, non solo è possibile analizzare e valutare i problemi di signal integrity, power integrity e Emi-Emc indifferentemente nei diversi stadi della progettazione (a livello di chip o di board), ma anche suggerire agli ingegneri le soluzioni per correggere e prevenire eventuali problematiche oggi sempre più incalzanti.

Un problema di business
Se è vero che una piattaforma di simulazione multifisica è uno strumento per ingegneri, è altrettanto vero che il suo impiego in azienda ha un impatto di business molto forte. I problemi evidenziati attraverso le analisi hanno spesso un effetto diretto sulle specifiche di progetto come le dimensioni dei prodotti, la durata delle batterie, la stessa capacità di rispettare regolamenti sempre più severi come quelli imposti sulle emissioni elettromagnetiche, la riciclabilità ecc. Immaginiamo un caso in cui una simulazione di sistema ci evidenzia, in una fase preliminare del progetto, che non saremo in grado di rispettare le specifiche di consumo energetico: a questo stage di progetto ci è ancora possibile valutare un ampio ventaglio di ipotesi di intervento per risolvere il problema, mentre se scopriamo la stessa cosa in fase avanzata siamo probabilmente forzati ad andare il più velocemente possibile verso una sola soluzione, ad alto costo.

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