三维集成电路多物理场仿真快速算法研究及应用

In recent years, integrated circuits (IC) industry has developed rapidly. As the frequency of integrated circuits increasing, electromagnetic interference, thermal effect and mechanical effect from chip level to circuit board are the bottleneck of electronic system performance. Therefore, the multi-physical field simulation of integrated circuits becomes an indispensable part in the design of chip and electronic system. The reliability of the three-dimensional simulation method for the integrated circuits has been recognized, but the computation efficiency cannot be satisfied. The higher-order spectral element method combines the flexibility of the finite element method and the high accuracy of the spectral method becomes a popular method in the numerical simulation of engineering application. Here, we will incorporate the accurate time-domain spectral element method based on Gauss–Lobatto–Legendre polynomials and time-domain finite element method to develop higher order accuracy and efficient method solving the mulitphysics in the integrated circuits. The research mainly focuses on the following aspects: the domain decomposition method combining spectral element with finite element method; efficient electrical analysis of carbon-based nanomaterials. The achievements of this fundamental research should provide a desirable way to improve the precision and efficiency in the calculation for the three-dimensional integrated circuits and practical theoretical basis for new circuit design.

近年来我国集成电路产业飞速发展，随着集成电路频率的快速提高，从芯片级到电路板级的电磁干扰、热效应及其导致的热力效应成为电子系统性能的瓶颈。集成电路的多物理场仿真成为芯片及电子系统设计必不可少的环节。三维集成电路多物理场数值仿真方法的可靠性已经得到基本认可，但是计算量大、计算速度慢，无法进行高效多物理场仿真。高阶谱元方法兼具有限元适应任意复杂介质模型的灵活性和谱方法的高精度，从而在工程数值模拟计算中备受青睐。本项目将着重研究基于Gauss–Lobatto–Legendre多项式的高阶时域谱元法与时域有限元法相结合快速高效求解三维集成电路多物理场量。主要研究内容有：谱元与有限元法相结合的区域分解法、碳基纳米材料器件高效电性分析等，最终形成系统的集成电路多物理场的理论计算模型。本项目的基础研究工作成果将有力地提升三维集成电路多物理场仿真计算效率和精度，为新型电路设计提供切实可行的理论基础。

随着集成电路的集成度提高，三维集成电路中纳米级晶体管到微米级通孔再到数百微米的 I/O 所构成的多尺度，使得其设计、建模与仿真、测试等方面遇到全新的挑战。同时，从芯片级到电路板级的电磁干扰、热效应及其导致的机械结构效应成为许多电子系统正常工作的最大障碍。因此，开展三维集成电路的高效多物理场耦合仿真算法具有重要的理论和应用价值。本项目主要研究了基于区域分解法的时域高阶谱元法和时域有限元法用于快速高效求解三维集成电路多物理场量。其中，发展的混合有限元/谱元方法可以克服电小问题中的高密度数值崩溃现象，实现全频率范围的精确快速收敛。开发的基于时域有限元法的自适应时间步长瞬态电热和高阶时域谱元法的热力多物理场算法，已应用于三维电源分配网络模型、低温共烧陶瓷滤波器、表面贴装芯片和多芯片模型的多物理场分析中，最终形成了系统的集成电路多物理场的理论和计算模型。.在本项目的全部或部分支持下，已在国内外重要学术期刊如： International Journal of Heat and Mass Transfer、IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 和 IEEE Transactions on Antennas and Propagation上发表相关学术成果14篇，其中期刊论文12篇，全部为SCI检索(JCR一区3篇，JCR二区6篇，JCR三区3篇)，已授权国家发明专利2件。以本项目为第一标注的期刊论文8篇，第二标注的期刊论文3篇。第三标注的期刊论文1篇。以项目负责人为第一作者或通讯作者的成果7篇。.本项目所研究的基于区域分解法的高阶谱元法和有限元新算法对于提升三维集成电路多物理场仿真计算效率和精度奠定切实可行的理论基础，是新型电路设计仿真中的非常重要而有意义的工作。