集成电路电磁-电路-热一体化仿真方法研究

With the improvement of technological level, the operating frequency and integration density of integrated circuits (ICs) are higher and higher, which brings challenges to the simulation and design of ICs. On the one hand, the wave effect is more and more obvious with the increase of operating frequency, it cannot meet the accuracy requirement by solely utilizing the traditional circuit analysis method. So it is necessary to adopt the electromagnetic numerical method to conduct electromagnetic-circuit cosimulation. One the other hand, higher integration density increases the density of devices and interconnects. Meanwhile, it also increases the power density and makes the thermal design difficult. So it is also necessary to conduct electromagnetic-thermal cosimulation. As a consequence, this project studies electromagnetic-circuit-thermal cosimulation. On account of the multiscale feature of ICs, we propose a hybrid explicit–implicit discontinuous galerkin time domain (DGTD) method with domain decomposition, which has higher accuracy and efficiency and can accelerate the electromagnetic and thermal simulation. Aiming at the electromagnetics-circuit cosimulation challenge when the internal detail of nonlinear circuit module is unknown, we utilize deep learning technique to invert a macromodel to represent the port behavior of the circuit. Then the macromodel is coupled with electromagnetic equations to realize electromagnetic-circuit cosimulation. This project provides a very powerful instrument for the analysis of electromagnetic compatibility, electromagnetic interference and thermal issues of ICs.

随着工艺水平的提高，集成电路的工作频率和集成度越来越高，对集成电路的仿真和设计带来了很大挑战。一方面，工作频率的提高使得电路中的波效应越来越明显，单纯使用传统的电路理论分析方法不能满足精度要求，需要结合电磁场数值方法进行场路协同仿真；另一方面，集成度的提高在增大器件和互连密度的同时，也带来了功率密度的增加，增大了热设计的难度，这又要求开展电磁热协同仿真。因此，本项目拟开展电磁-电路-热一体化仿真方法研究，并针对集成电路多尺度结构特点，提出一种基于区域分解的显隐式混合时域间断伽辽金方法，该方法具有较高的精度与效率，能有效加速电磁和热仿真进程；针对电路模块内部细节未知且含有非线性元件情况下的场路协同仿真难题，利用深度学习技术反演表征电路模块端口特性的宏模型，然后将该宏模型与电磁场部分方程耦合起来，实现场路协同仿真。本项目能为集成电路电磁兼容、电磁干扰、散热等问题的分析提供有力工具。

集成电路工作频率和集成度的提高对数值仿真方法带来了极大挑战，工作频率的提高对场路协同仿真提出了迫切需求，集成度的提高使得电磁热协同仿真不可或缺。在此背景下，本项目提出了一种电磁-电路-热一体化仿真方法，能够对实际工作场景下的集成电路同时实现电磁、电路、热仿真。本项目主要开展了如下研究：1）基于区域分解的显隐式混合DGTD方法，有效提高了电磁仿真和热仿真的效率；2）基于LSTM深度神经网络的电路模块端口特性建模方法，有效解决了电路模块内部细节未知且含有非线性元件情况下的场路协同仿真难题； 3）基于节点DGTD的热仿真研究，满足了集成电路热仿真需求； 4）电磁、电路、热耦合机制研究，实现了三者的一体化仿真； 5）大规模并行技术研究，满足了针对大规模集成电路的多物理仿真需求。本项目所形成的电磁-电路-热一体化仿真平台在集成电路、微波电路与器件、天线与天线阵等多个领域具有广阔应用前景，同时本项目的相关成果可以为国产电磁、多物理EDA软件的研发提供重要参考。在本项目的资助下共发表学术论文9篇，其中SCI收录国际期刊论文4篇，国际会议论文5篇，其中包含2次国际会议分会场特邀报告；申请1项国内发明专利；培养硕士研究生5名，其中2名已顺利毕业。