パワー/シグナル解析用高速回路/電磁界シミュレータ

研究者：静岡大学 工学部 システム工学科

教授 浅井 秀樹

説明者：浅井秀樹

新技術説明会 ２０１１年６月１０日

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背景：電子機器設計に向けた基盤技術

LSI

PCB/モジュール

システム・イン・パッケージ

高密度/大規模化More than Moore

小型化（高密度モジュール化）

接合部での電気特性（信号伝送・ノイズ）

接合部での電気特性（信号伝送・ノイズ）

電磁環境設計ノイズ設計

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高速ディジタル設計におけるPI/SIとEMI

Multi-scale/Multi-domainSimulationの必要性

3

従来技術：Spice系（集中定数）シミュレーション技術

diagram

net list

numerical calc

output(waveform)

formulation

CMOS InverterMP1 2 1 100 100 pmos L=1u W=20uMN1 2 1 0 0 nmos L=1u W=10u

・・・

( ) 0uvvF =,, &

( )1111)]([

---- -= iiiivFvJvv

4

行列解法の必要性

↓

大規模解析は低速

回路/電磁界マルチレベル・シミュレータFDTD with SPICE

PCB ビューワー & 並列 FDTD シミュレータ

+ 回路シミュレータ（Spice3f5） 5

三次元電磁界シミュレータBLESS

TOP L2 L3 L4 L5 L6 L7 BOTTOM

L4(a) L4(b) L4(c) L5(a) L5(b) L5(c)

L6(a) L6(b) L6(c) BOTTOM(a) BOTTOM (b) BOTTOM (c)

BLESSによるｿﾆｰ製ﾃﾞｼﾞﾀﾙｶﾒﾗの基板解析例 日経エレクトロニクス

“電源雑音は元から断つ ”（２００４年８月２日号の記事から）

＜家電開発＞「６年越しで準備しました」「ウチと一緒にぜひ，共同開発してください」静岡大学工学部で教鞭を執る浅井秀樹氏の元にソニーの技術者が訪れたのは，1997年夏のことだった。浅井氏の専門は，電子回路のシミュレーション。とりわけ伝送線路の解析に詳しい。依頼に応じた浅井氏とソニーが1998年から開発に着手した解析ツールは，6年後の今，PDAからデジタル・カメラ，愛玩用ロボットに至るまで，ソニー社内のさまざまな製品の開発

現場で用いられるようになっている。

6

従来技術の問題点

回路シミュレータ／電磁界シミュレータは、多数存在

解析速度：低速→電源・GND解析には使えない

解析精度：劣悪

（全体の一括解析が不可能）

→設計効率の悪さ＝生産性低下

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新技術の特徴・従来技術との比較

１．革新的高速三次元ソルバの考案・開発

＆ 解析規模の大型化

（高速化アルゴリズム ＆ 高並列処理機構）

２．IFレベルでの三次元ﾃﾞｰﾀと三次元Sim技術の一体化

100倍以上の高速化=100倍規模の解析

=解析精度の大幅改善

高速解析できないと、実用性は損なわれる

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高速シミュレーションアルゴリズム

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SPICE

FDTDelectromagnetic

LIM(leapfrog) Block-LIM/block-leapfrog

SPIDER(IEEE Tran.EMC)

Leapfrog

Algorithm

SPLICE

（relaxation-based）

9

Latency Insertion Method (LIM)

10

10

av bv

Branch Topology

Updating formula of branch current

Updating formula of node voltage

abRabL abE

abi

( )21

21

21

1 -

-

=n

ab

n

b

n

a

ab

n

ab

ab

ababn

ab EvvL

ti

L

tRLi

-

=

=

- n

a

M

k

n

ka

aa

n

a

aa

an

a HitGC

tv

tGC

Cv

a

1

,21

21

aG

1,ai av

aC aH

2,ai

aMai ,

kai ,

Node TopologyKVL

KCL

Leapfrog method（蛙跳び手法） in LIM

11

( )21

21

21

1 -

-

=n

ab

n

b

n

a

ab

n

ab

ab

ababn

ab EvvL

ti

L

tRLi

-

=

=

- n

a

M

k

n

ka

aa

n

a

aa

an

a HitGC

tv

tGC

Cv

a

1

,21

21

枝電流

節点電圧

：節点電圧の計算点

：枝電流の計算点

21n

t

21-n

n

t

Time-step size

1n蛙跳び手法

枝電流

節点電圧

半ステップずつずれている

＊GPU上での実装に適している！

12

( )n

a

n

a

n

aa

n

aaatt

hivCvGC -

=

-21

21 11

( )21

2111 1

-

=

n

ab

n

ab

n

abab

n

ababtt

eviRLiL

枝ブロック電流変数の更新式

節点ブロックの電圧変数の更新式

coupled by

mutual

inductancescoupled by

mutual capacitances

まとめて言うと

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蛙跳び解析手法（行列計算不要）の採用による高速化ブロック蛙跳び手法（強結合部のブロック化）の採用による

多導体伝送線路の高速解析

電気ノイズ低減に向けた最適設計を支援電源／グラウンド周りでの高速ノイズ解析を実現高速信号解析を実現

従来手法（SPICE）の数十倍～数百倍高速に解析可能全体の一括解析による解析精度の向上

Simulatio

n

Result

0 1 2 [110−8

]

0

1

本研究で提案の高速PIシミュレータ SPIDER

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本研究で提案のGPU指向型電磁界シミュレータ PHENIX

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用途 パワー/シグナル・インテグリティ設計

EMC（電磁環境両立性）設計

ボード（高密度モジュール）・パッケージ設計

電子機器設計

情報家電・車載用電子機器

部品特性の抽出という観点からは

非電気系企業にも利用価値が大きい16

産業界 基板設計、製造

パッケージ設計、製造

電子機器（情報家電、車載用）設計、製造

受動部品製造

– 高速信号線/CLKのSI解析

数十本～百本の信号線(バス部分)を同時解析可能

基準CLK入力→リファレンスCLK出力→リファレンスCLK入力までの系を一括解析可能

– マルチチップPI解析

チップ間IFに影響する電源/GND系一括解析の可能性

電源系とCLK系の両方を考慮した不要輻射解析が可能

100倍高速（大規模）化の効果

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実用化による効果

高速伝送設計で深刻化する

ノイズ設計の効率化

→設計効率の向上（速度・精度）

→試作回数の削減

→コスト削減

■設計工程の革新を！！

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高度化と実用化に向けて

研究開発課題

シミュレーションエンジンと

既存CADの統合化

管理運営上の課題

回路・機器設計：保守的である！

設計工程を革新することへの抵抗感の払拭

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研究開発中の課題

三次元Sim

三次元ﾃﾞｰﾀ/回路データ

統合

高密度モジュールでのパワー／シグナル・インテグリティ解析を実現

物理レベル三次元レイアウト（3次元構造と材料情報の両者 ）

物理レベル三次元シミュレーション

（回路系＋電磁界系）

高速シミュレーションエンジン搭載

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1998-2009 ㈱三栄ﾊｲﾃｯｸｽ（技術顧問）

1998-2004 SONY先端実装ｾﾝﾀｰとの共同研究

三次元電磁界ｼﾐｭﾚｰﾀBLESS開発

2004-2006 半導体理工学研究ｾﾝﾀｰとの共同研究

SoC/SiP設計のためのﾊﾟﾜｰ/ｼｸﾞﾅﾙ・ｲﾝﾃｸﾞﾘﾃｨ

検証統合化ｼｽﾃﾑ（高速信号伝送のﾉｲｽﾞ解析）

2006.03 ｾｻﾐﾃｸﾉﾛｼﾞｰ㈱設立

2007-2009 半導体理工学研究ｾﾝﾀｰとの共同研究

SiP設計・実装のための三次元CAD/CAEｼｽﾃﾑ

2008-2010 超先端電子技術研究機構との共同研究

（国家ﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄ：ドリーム・チップ計画）

産学連携の経歴

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企業の方へ

プリント基板／パッケージ設計・製造メーカーで本技術の導入が有効です。

製品化への開発のための、回路基板の解析をお手伝いします。

実装回路の高性能電磁界解析シミュレータを共同開発しませんか？

実務作業レベルでの共同も可能です。

どんなご質問、ご相談でも承ります！

この後の個別相談にお気軽にどうぞ23

本技術に関する知的財産権

・プログラムの名称：ＦＡＬＣＯＮ・著作者：国立大学法人静岡大学 浅井 秀樹

公立大学法人静岡県立大学 渡邉貴之国立大学法人香川大学 丹治裕一

・権利者：国立大学法人静岡大学

◎共同研究および関連する特許については、静岡大学知的財産本部にお問い合せください。コーディネータ：出崎TEL:053-478-1701Email：shin2011@cjr.shizuoka.ac.jp