Software für IC-Entwickler
Simulieren – mit KI
Was können Simulationsprogramme aktuell leisten, um Entwicklern die Arbeit zu erleichtern? Diese und weitere Fragen beantwortet Christophe Bianchi, EMEA High Tech and Semiconductor Director bei Ansys, im Interview.
? Welche Bedeutung hat die Simulation von Halbleitern aktuell? Ist sie nur für die high-end-Knoten für Prozessoren relevant?
! Christophe Bianchi: Um die anspruchsvollen Zuverlässigkeitsanforderungen für Wi-Fi-Systeme, 5G-Mobilgeräte und drahtlose Hochgeschwindigkeitskomponenten zu erfüllen, benötigen Kunden eine umfassende Multiphysik-Simulationslösung, die Leistungs-, Zuverlässigkeits- und Wärmeprobleme über den gesamten Chip, das Gehäuse und das System hinweg adressiert.
Dies gilt nicht nur für High-End-Knoten (7, 5 und 3 nm), sondern ist insgesamt entscheidend für Analog-, Mixed-Signal-, Hochspannungs- und HF-Prozesse sowie 2,5D- und 3D-ICs, bei denen die multiphysikalische Modellierung und Simulation auch für RDL-Interconnect- und Interposer-Schichten in CoWoS (Chip on Wafer on Substrate) und Info (Integrated Fanout Wafer Level Packaging) gelten muss.
Jedem Prozess und jeder Technik entspricht eine Reihe von Modellierungs- und Simulationslösungen, sei es die Leistungsintegritätsanalyse auf Transistorebene für analoge, Mixed-Signal- und kundenspezifische ICs oder die Leistungsintegrität auf SoC-Ebene und ESD/EMC auf Chip- und Systemebene.
Ansys beispielsweise bietet für Analog- und Mixed-Signal-ICs eine umfassende Suite von Analysen, die von der Frühphase bis zur finalen Freigabe reichen. Sie kann eine Vielzahl von Bausteinen wie SerDes, Datenumsetzer, Power-Management-ICs, eingebettete Speicher, DRAM, Flash, FPGA und Bildsensoren effektiv behandeln. Darüber hinaus bietet die Simulationssoftware zahlreiche Analysefunktionen wie Substratrauschen, RDSON-Analyse, thermische und ESD-Analyse, um die verschiedenen Herausforderungen in den IC-Entwürfen zu bewältigen. Zusätzlich gibt es ein konfigurierbares Cockpit, mit dem Entwickler ihre Analysen an ihre Arbeitsabläufe anpassen können.
? Was kann die heutige Simulationstechnik?
! Bianchi: Basierend auf den Grundprinzipien der Modellierung, Physik, Mathematik und Informatik gibt die Simulation den Ingenieuren die Möglichkeit, zu sehen, wie sich ihre Entwürfe in Millionen von realen Szenarien verhalten werden, während gleichzeitig der Bedarf an kostspieligen physischen Tests reduziert oder sogar eliminiert wird.
Simulation ermöglicht: 5G- und 6G-Kommunikation, industrielles Internet der Dinge, autonome Fahrzeuge, personalisiertes Gesundheitswesen, Elektrifizierung, Energie der nächsten Generation und mehr.
Wenn man sich nur auf die Elektronik konzentriert, deckt Simulation ein sehr breites Spektrum kritischer physikalischer Aspekte ab, wie z.B.:
- Elektromagnetische (EM) Crosstalk Software identifiziert und klassifiziert die Netze, die am anfälligsten für EM- und Substrat-Crosstalk sind.
- Software zur Analyse von IR-Drop-Power-Noise und Elektromigration auf Transistorebene für analoge und Mixed-Signal-ICs.
- Leistungsintegrität und Zuverlässigkeitsabnahme für ICs. Analyse der IR-Spannung, der Elektromigration und der thermischen Zuverlässigkeit auf dem gesamten Chip.
- Elektromagnetische Simulationssoftware für den Entwurf und die Simulation von elektronischen Hochfrequenzprodukten wie Antennen, PCBs, IC-Gehäusen usw.
- Elektronisches Wärmemanagement für IC-Gehäuse, Leiterplatte und elektronische Baugruppen.
- Analyse der mechanischen Beanspruchung und des Verzugs zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit bei thermischen Zyklen heterogener Baugruppen, z.B.: 3D-IC, PCB.
- Leistungsintegrität, Signalintegrität und EMI-Analyse von elektronischen Gehäusen und PCBs sowie Leistungsanalyse und RTL-Leistungsreduzierungssoftware für optimale IC-Entwürfe.
Die Integration der Simulation in die breitere CAD/CAE-Toolchain umfasst auch die Modellierung von Induktions-, Transformator- und Übertragungsleitungen zur Synthese komplexer Spulen und Bauelementen für Übertragungsleitungen, nanophotonischer Bauelemente, Prozesse und Materialien sowie das quantenmechanische Verhalten in atomar dünnen Halbleiterschichten. Dadurch werden Ingenieure in die Lage versetzt, Bandstruktur, Verstärkung und spontane Emission in Multi-Quantum-Well-Strukturen genau zu charakterisieren.
Alle Techniken von Ansys und Kern-Engines für Extraktion, Simulation, Elektromigration und Erwärmungsanalyse sind für alle wichtigen Halbleiterknoten zertifiziert und mehrfach mit Spice- und Siliziummessungen korreliert. Sie sind in mehreren großen Foundries zertifiziert und werden von mehreren großen Halbleiterunternehmen als Sign-off-Tools bevorzugt.
? Wie kompliziert sind die modernen Simulationstools in der Anwendung?
! Bianchi: Obwohl die Multiphysik-Analyse- und Verifikationswerkzeuge von Ansys sehr komplexe Gleichungen lösen, wird ihre Verwendung durch die Tatsache erleichtert, dass sie Cloud-nativ sind, was eine beispiellose Kapazität zur Beschleunigung der Fertigstellungszeiten selbst für die größten integrierten FinFET-Schaltungen und 3D/2,5D-Multi-Die-Systeme bietet.
Darüber hinaus erleichtert die nahtlose Integration dieser Sign-Off-Verifikationsprodukte in die wichtigsten EDA-Plattformen und -Umgebungen die Anwendung durch IC-Entwickler weiter. Ein Beispiel dafür ist die Integration von Ansys RedHawk Analysis Fusion in IC Compiler II und Fusion Compiler von Synopsys, die eine Leistungsintegritätsanalyse und -korrektur in die etablierten Entwicklungsabläufe einführt und so während des physischen Entwurfsschrittes Ergebnisse mit Sign-off-Genauigkeit liefert.
? Welchen Einfluss werden KI-Techniken wie maschinelles Lernen auf die Simulation haben?
! Bianchi: Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen (KI/ML) gibt es seit mehr als 30 Jahren, und das Feld hat sich von Konzepten regelbasierter Expertensysteme über maschinelles Lernen mit überwachtem Lernen und unüberwachtem Lernen bis hin zu Deep Learning entwickelt. Die KI/ML-Technik wurde in zahlreichen Branchen erfolgreich angewandt, z.B. beim Verstehen natürlicher Sprache in Sprachassistenten, bei der Stimmungsanalyse in sozialen Medien, beim algorithmischen Handel im Finanzwesen, bei der Wirkstoffentdeckung und bei Empfehlungsalgorithmen für den E-Commerce.
Den Menschen ist oft nicht bewusst, welche Rolle KI/ML in der Simulationstechnik spielt. Tatsächlich wird KI/ML hier eingesetzt und ist entscheidend, wenn es darum geht, die Produktivität der Anwender zu verändern und zu steigern. Eine fortschrittliche Simulationstechnik, die durch KI/ML ergänzt wird, optimiert den Konstruktionsprozess.
Bei Ansys setzen wir schon seit geraumer Zeit auf KI/ML-Methoden und -Werkzeuge. Lange vor dem aktuellen Hype in diesem Bereich. Physikbasierte Simulationen und KI/ML ergänzen sich und wir glauben, dass ein hybrider Ansatz äußerst wertvoll ist. Wir erforschen den Einsatz dieser Methoden, um die Laufzeiten, Arbeitsabläufe und die Robustheit unserer Solver zu verbessern.
Auf technischer Ebene setzt Ansys tiefe neuronale Netze in der RedHawk-SC-Produktfamilie ein, um Monte-Carlo-Simulationen um das bis zu 100-fache zu beschleunigen und die Auswirkungen der Spannungen auf das Timing besser zu verstehen.
? Vor welchen Herausforderungen stehen die Anbieter von Simulations-Tools? Woran wird aktuell gearbeitet und geforscht?
! Bianchi: Simulation ist allgegenwärtig und bildet den Kern jeder technischen Lösung. Sie ist ein Bereich, der viele Innovationsströme bündelt und schnell von Fortschritten in angrenzenden Bereichen profitiert. Unsere Technikstrategie reicht von verbesserten Simulationsmethoden mit der Erforschung neuartiger numerischer Methoden wie IGA (isogeometric analysis), XFEM (extended finite element method) und Inverse sowie stochastischen und Bayesschen Hybridmodellen bis hin zu nicht-konformer Vernetzung und Morphing. Gleichzeitig investiert Ansys in die Steigerung der Leistung, indem wir Cloud-Infrastrukturen, Hochleistungsrechner, einschließlich zukünftiger Simulationssoftware für Exascale- und Quantencomputing sowie KI/ML-Techniken für erweiterte Simulationen nutzen.
Aus der Nutzerperspektive sind immersive Nutzererfahrungen, einschließlich erweiterter und virtueller Realität, ein weiterer Forschungsbereich, der darauf abzielt, die Simulation einem breiteren Publikum zugänglich zu machen.
Spezifische Branchen und Anwendungen haben für Ansys weiterhin höchste Priorität: Autonomie, Elektrifizierung, 5/6G, digitales Gesundheitswesen, ICME (Integrated Computational Materials Engineering) und Additive Science sowie modellbasiertes Systems Engineering (MBSE). Hier finden besonders viele Entwicklungen und Innovationen statt.
