導(dǎo)讀：Cadence公司在2019年推出 Clarity 3D Solver場(chǎng)求解器，正式進(jìn)軍快速增長(zhǎng)的系統(tǒng)級(jí)分析和設(shè)計(jì)市場(chǎng)。與傳統(tǒng)的三維場(chǎng)求解器相比，Cadence Clarity 3D Solver場(chǎng)求解器在精度達(dá)到黃金標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，擁有高達(dá)10倍的仿真性能和近乎無(wú)限的處理能力。得益于最先進(jìn)的分布式并行計(jì)算技術(shù)，Clarity 3D 場(chǎng)求解器有效地解決了芯片、封裝、PCB、接插件和電纜設(shè)計(jì)等復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的電磁(EM)挑戰(zhàn)，為任何擁有桌面電腦、高性能計(jì)算(HPC)或云計(jì)算資源的工程師提供真正的3D分析支持。Clarity 3D 場(chǎng)求解器可以輕松讀取所有標(biāo)準(zhǔn)芯片、IC封裝和PCB設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)，同時(shí)為使用Cadence Allegro 和Virtuoso 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的團(tuán)隊(duì)提供專屬集成優(yōu)勢(shì)。

一、關(guān)于Clarity 3D Solver

基于有限元電磁場(chǎng)的商業(yè)軟件，通常包括三個(gè)仿真階段：初始化網(wǎng)格、網(wǎng)格迭代、頻率掃描。傳統(tǒng)的并行計(jì)算僅僅會(huì)在頻率掃描階段，將多個(gè)頻點(diǎn)分配到不同的計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)上。但是在求解每一個(gè)頻點(diǎn)時(shí)，仿真時(shí)間并沒有減少而且仍然需要很大的內(nèi)存。并且，對(duì)于復(fù)雜的電磁結(jié)構(gòu)仿真，傳統(tǒng)的軟件很難在仿真之前預(yù)測(cè)所需要的內(nèi)存，因此經(jīng)常會(huì)在仿真進(jìn)程過(guò)半后由于內(nèi)存不足而終止仿真，浪費(fèi)前期的所有工作。

Clarity 3D Solver 采用了全新的分布式計(jì)算平臺(tái)以及突破性的網(wǎng)格和矩陣分解技術(shù)，在初始化網(wǎng)格、網(wǎng)格迭代以及頻率掃描三個(gè)階段都支持多機(jī)并行的分布式計(jì)算。

二、分布式網(wǎng)格劃分

Clarity 3D Solver 2022版本新增了分布式網(wǎng)格劃分算法，進(jìn)一步發(fā)展了其先進(jìn)的網(wǎng)格劃分技術(shù)，包括基于層結(jié)構(gòu)的 LMesh 和任意三維結(jié)構(gòu)的XMesh 兩種方法。這兩種技術(shù)都能將初始網(wǎng)格處理速度提高 10 倍以上，意味著大幅減少的仿真運(yùn)行時(shí)間。

1、Xmesh - 大規(guī)模分布式并行網(wǎng)格劃分技術(shù)

初始網(wǎng)格和自適應(yīng)網(wǎng)格都支持多機(jī)分布式并行處理

不損失準(zhǔn)確性，但模擬結(jié)果比沒有并行網(wǎng)格劃分時(shí)的 Clarity 版本快 3 倍

新的3D網(wǎng)格劃分技術(shù)無(wú)需用戶提供額外輸入并且更加穩(wěn)定

2、Lmesh – 基于層結(jié)構(gòu)的大規(guī)模分布式并行網(wǎng)格劃分技術(shù)

超快速預(yù)處理

前所未有的網(wǎng)格生成成功率(自動(dòng)修復(fù))

初始網(wǎng)格和自適應(yīng)網(wǎng)格都支持多機(jī)分布式并行處理

對(duì)于復(fù)雜的布局設(shè)計(jì)，甚至比 XMesh 更快

僅在 Clarity 3D Layout 中可用

新的3D網(wǎng)格劃分技術(shù)無(wú)需用戶提供額外輸入并且更加穩(wěn)定

三、網(wǎng)格迭代和頻率掃描

區(qū)別于傳統(tǒng)的直接求解完整有限元矩陣，Clarity 3D Solver 采用了先進(jìn)的矩陣分解技術(shù),能夠在多個(gè)較小內(nèi)存的機(jī)器群組上完成復(fù)雜電磁結(jié)構(gòu)仿真。Clarity 3D Solver的并行分布式技術(shù)特點(diǎn)如下：

1、沒有任何精度的損失

2、幾乎無(wú)限的容量，即使只有一臺(tái)32核/256GB內(nèi)存的電腦，也可以仿真幾千萬(wàn)網(wǎng)格規(guī)模，而不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存不足的問(wèn)題

3、強(qiáng)大的可擴(kuò)展性。對(duì)于復(fù)雜設(shè)計(jì)， 通過(guò)增加計(jì)算機(jī)CPU資源來(lái)達(dá)到幾乎線性的仿真效率提高

4、充分利用已有機(jī)器。可以利用增加多個(gè)32G內(nèi)存機(jī)器來(lái)加速大規(guī)模電磁仿真

總結(jié)

四、成功案例

案例1：2個(gè)倒裝芯片封裝安裝在6層PCB的仿真

從結(jié)果對(duì)比來(lái)看，除效率有了明顯的提升之外，精度方面，在0-20GHz、回波損耗和插入損耗上，Clarity 3D Solver的結(jié)果和第三方軟件都有很好的吻合。

案例2：HBM InFO 3D Modeling

這是一個(gè)擁有兩個(gè)芯片(SOC芯片和HBM芯片)的4 層晶圓級(jí)封裝結(jié)構(gòu)，線寬和線間距都是2um。仿真包含了128根信號(hào)和2個(gè)電源以及一個(gè)地網(wǎng)絡(luò)，總共有868個(gè)端口。對(duì)于傳統(tǒng)的仿真工具而言，這一創(chuàng)新型的封裝結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，難以在較短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確仿真。

Clarity 3D Solver 利用128 CPU以及每個(gè)CPU配置的8G內(nèi)存機(jī)器，在此配置下7. 2小時(shí)完成了仿真。由于無(wú)需拆分設(shè)計(jì)，既保證了仿真結(jié)果的精準(zhǔn)度又大幅減少了仿真運(yùn)行時(shí)間，這是其他電磁場(chǎng)軟件達(dá)不到的效果。

審核編輯：湯梓紅