EMIシミュレーションの精度検証
第6回 LPB ForumJEITA ナノ世代物理設計(NPD) WG
ソニーLSIデザイン株式会社 長谷川 尚

ナノ世代物理設計(NPD) WG 活動概要
1. 活動目的• ナノ世代テクノロジーノードにおける、物理設計課題の抽出と対策の提案
EMSESD

EMI
エレクトロマイグレーション
信号クロストーク,ばらつき
電流インダクタンス効果

IR-Drop

VDD

デバイス寄生効果
リーク,自己発熱

基板ノイズ

参加各社の課題を抽出
低電圧

Finfetノイズ

最終ゴール ： 課題に対する改善手法、対策、設計ガイドラインの制定

2014年度ナノ世代物理設計(NPD)委員
2015.1.31時点
氏名

所属

メールアドレス

主査

赤嶺 武一郎※

富士通セミコンダクター

t_akamine@jp.fujitsu.com

副主査

安茂 博章

ソニー

hiroaki.ammo@jp.sony.com

金本 俊幾

ルネサスエレクトロニクス

toshiki.kanamoto.ry@renesas.com

長谷川 尚

ソニーLSIデザイン

Takashi.Hasegawa@jp.sony.com

栗山 茂ルネサスエレクトロニクス

shigeru.kuriyama.vz@renesas.com

清水 光平

パナソニックシステムテクノ

shimizu.kohei@jp.panasonic.com

熊野 義則

リコー

yoshinori.kumano@nts.ricoh.co.jp

河野 正治

リコー

masaharu.kawano@nts.ricoh.co.jp

オブザーバー黒川 敦

弘前大学

kurokawa@eit.hirosaki-u.ac.jp

EDA-TC標準化担当

田中 玄一

ルネサスエレクトロニクス

genichi.tanaka.ur@renesas.com

委員※3/1より(株)ソシオネクスト所属

ナノ世代物理設計(NPD) WG 成果概要

低電圧

Finfet

ノイズ・低電圧時の遅延/電力/温度特性の調査

・ Finfet構造の寄生RC成分を遅延観点から調査

・LENプロジェクト
EMI実測とSimとのずれ要因解析

温度感度の逆転によるコーナー設計時の課題

SideWall幅最適化による遅延改善の提案

今回報告

LENプロジェクト

NPD-WG成果概要

700MHz帯でSimとの不一致

ナノ世代物理設計WGでのStudy結果◇ 簡易SIM系の提案◇ LPBの各要素の調査

probe × 4pin
VDP × 8pin

CPMIin＋ac
電源-onlyLCR
netw
ork

VDP x 8pin

PKG
LCR
netw
ork
VSS × 11pin

chipのCとPKG/PCBのLとの共振点がずれていくのがわかる。

PCBSpara◇ SIM不一致原因の推定

LENプロジェクト NPD-WG成果概要•

原因探索のための簡易Sim回路を使ったアプローチを提案• 通常RunTime 約1日  5minで可能

簡易 (ac解析)

Original (tran解析)

probe × 4pin

probe × 4pin
VDP × 8pin

VDP x 8pin

VDP x 8pin

VDP × 8pin

Z＋-

CPM

PKG＋-LCR
netw
ork

Z
VSS × 11pin

チップモデル内に動作を表す電流源を付加

CPM

PCB
Sパラ

PKG

Iin

ac電源＋-only
LCR
network

LCR
network

VSS × 11pin

CPMはLRC networkで理想AC電源をつなぐ

PCB
Sパラ

LENプロジェクト NPD-WG成果概要•

LSI/PKG/Board内のLRCがどのような影響を与えているか解析• 各周波数帯でのLPB(LSI-Package-Board)要素の影響を明確化

LENプロジェクト NPD-WG成果概要•

EMI実測-Simずれ要因解析を簡易Sim Modelを使って実施。

• Board Model(S-Para)が原因であると推定した。

LENプロジェクト NPD-WG成果サマリー•

結論– 原因approachのためのEMIノイズ簡易Sim回路系の提案• 理想AC電源を使って、実行時間を1日  数minに短縮、LPBの各ピークの要素解析を可能とした。
– 簡易Sim系AC解析からLPB各要素による影響調査• LPBの各要素がどのような周波数帯に影響を与えるかを調査– EMI 実測-SIMずれの要因解析• 特性解析の結果、700MHz帯 peak有無はBoard(S-Para)Modelに起因していると推定した。
– LSI-Package-Board各々が協力してモデル精度を高めていくことが重要である。

•今後– LSI-Package-Board Modelの課題の抽出，精度向上の検討．

APPENDIXLENプロジェクト
 NPDとしての参加の意義
 数十から数百MHzのチップモデルに起因する領域でのモデル- 測定の乖離の解明対して、何らかの寄与ができるものと考えています。
 Power Integrity、EMI解析に供するチップモデル(CPM,LPM,IBIS5.0/6.0etc.)の現象再現性に関する検討を行います。
 成果
 LPBフォーマットの有効性を検証し、課題をフィードバックすること。

112014/07/25

背景••

EMC SCにおけるMP法での実測とSim の相関調査において、差分が見られた。その原因の調査をChip Modelの視点から調査を行った。
EMC-SCからMP法Simulation環境を提供頂きStudyを行った。
ここに差分あり12

EMIノイズ簡易Sim系の提案•

MP法Simulation傾向と一致を確認。 (実行時間 5min)◇ MP法Simulation (数h)

◇ 簡易Sim (数min)

25pin (mp_sign146_in)

25pin (mp_sign146_in)

50pin (mp_sign116_in)

50pin (mp_sign116_in)

76pin (mp_sign143_in)

76pin (mp_sign143_in)

100pin(mp_sign3_in)

100pin(mp_sign3_in)

MP法simulationでの25/76/100pinに見られた700MHz付近のpeakを簡易Simで再現！50 pinでpeakがないことを確認!
13

インピーダンスAC解析から各ピークの要素解析•

CPM中のCをsweepさせてインピーダンス特性がどのように変わるかをSimulationした。
– CPM中のCを0.0倍から2.0倍まで0.1倍刻みでsweep大きな変化無chipのCとPKG/PCBのLとの共振点がずれていくのがわかる。

緑色はC=0の場合で共振点が消えている。

14

EMC 実測-SIMずれ解析•

PCBのS-Para モデルをZ-Paraに変換して確認

緑 : 25pin
黄色 : 50pin
水色 : 76pin
赤色 : 100pin

黄色(50pin)だけ。
500-800MHz付近に谷がない

最初にC成分が見え出してZが下がりだす。
黄色よりほかの色が下がるのが早いのはC成分が大きいからと思われる

ここはL成分との共振で見えているところと予想できる。

15

EMC 実測-SIMずれ解析
確証を得るためPCBの接続のみ25pin  50pinを変えてMP法Simを実施

•

25pin

25pin

25pin

25pin

50pin

50pin

50pin

50pin

76pin

76pin

76pin

76pin

100pin100pin100pin100pin

PKG

◇

PKG

PCB

通常◇変更後

25pin

25pin

50pin

50pin

76pin (mp_sign143_in)

PCB

Peak関係が25pin ⇔ 50pinとなったことを確認

100pin(mp_sign3_in)
PCB起因で500-700MHz帯のpeakが出ていることがわかる
16

EMC 実測-SIMずれ解析•

EMC実測とSim の相関調査の実測とSimulationとの差分について、500-800MHzpeak有無に注目して調査した。
– インピーダンス特性解析によりCPM/PKGによる影響とは考えにくい。
– PCBのZ-Para特性がMP法Simの結果と一致することから500-800MHz付近peakの実測との差分はPCBモデルが起因の可能性が高い。
SIMとS-Paraの特性関係が同じ

Pin

結果

実測

MP法SIM

S-Para(Z-Para)

25

実測と合わない500-800MHz付
近にpeakなし

500-800MHz付
近にpeakあり

500-800MHz付近に谷あり

50

実測と合う

500-800MHz付
近にpeakなし

500-800MHz付
近にpeakなし

500-800MHz付近に谷なし

76

実測と合わない500-800MHz付
近にpeakなし

500-800MHz付
近にpeakあり

500-800MHz付近に谷あり

100

実測と合う

500-800MHz付
近にpeakあり

500-800MHz付
近にpeakあり

500-800MHz付近に谷あり
17