CPU研发现状以及市场现状
近两年，随着国家对信息技术应用创新日益重视，作为芯片行业的重要成员，许多国产cpu公司有了长足的发展。无论是面对芯片紧缺、断供的严峻形式，还是工业软件“卡脖子”的窘境，都无一例外要求我们加大国产芯片、工业软件的研发力度和速度。包括龙芯、飞腾、海光、兆芯在内的众多国内一线cpu芯片设计公司，正在为全力打造“中国芯”而不懈努力。在这个进程中，急需一种快速的方法，检查芯片设计和应用中的信号完整性、电源完整性问题，从而提高cpu芯片的设计迭代和投产效率。
国产cpu市场概况cpu处理器主要面向的市场有pc、服务器、嵌入式、智能手机、安防监控、汽车电子、视频和多媒体处理。目前，中国仍是全球cpu最大的消费市场，下游需求旺盛，随着国际供应链断裂和信息安全风险加剧，我国对国产cpu领域的政策支持力度持续提高，国内cpu正在加快发展步伐。
国产cpu中以x86架构代表的企业有兆芯、海光。其中，兆芯是来自威盛的x86技术，架构技术和性能相对intel、amd有所差异；海光获得的是amd 14nm zen架构的ip授权。arm架构的代表还有华为、飞腾。此外，mips架构的代表有龙芯。
从国产cpu的工艺制程看，16nm工艺是比较主流的先进工艺，采用7nm工艺的只有华为鲲鹏920，但其处于暂停生产状态，而兆芯新一代7nm工艺芯片尚未正式发布，其它厂商的规划还不明确。在政企市场，国产cpu受到重视，得到快速推进，而在消费级市场还只是刚开始。
cpu应用中的挑战
1. 信号完整性、电源完整性挑战
在cpu中，通常采取优化多核心、高速缓存、内存、io等接口的方式，以达到提升运算速度并降低功耗的目的。但在这一过程中，不可避免的会存在信号完整性和电源完整性的问题，而且越是使用先进工艺节点，其挑战就越严峻。无论是对于传统封装还是先进封装，信号的可靠程度与电源的稳定性都是衡量芯片质量的标准。因此，在设计中必须面对这两个老生常谈的问题。除了优化设计外，如何加快设计迭代速度也是设计中的重要考量因素。
2. 先进封装带来挑战
cpu的封装，从早期的qpf、fcbga到现在的先进封装，有了更多的变化。对于cpu芯片来说，随着工艺的发展，工程师利用硅载板或者tsv结构设计的先进封装，如何能够准确高效的处理好多个信号之间的串扰问题，也是设计的重要一环。
以鲲鹏920为例：下图是三颗裸芯组成的64核芯片，其中左边两颗为计算die，每颗含32个tsv110核，由4个核组成一个簇，8个簇挂在一个环状总线上，32mb的l3作为一个节点也挂在环上，同样的存控也作为一个节点挂在环上。三颗裸芯之间由 chip间总线实现互连。复杂的工艺以及众多的信号线需要一个强大计算能力的仿真工具，完成对信号和串扰的评估。
图1 鲲鹏920内部架构图
3. pcb板级协同挑战
对于cpu芯片来说，在设计配套cpu的pcb测试版、demo板时，也需要进行相关的仿真工作。一方面芯片的高速接口需要pcb的协同设计，另一方面，pcb作为cpu的配套使用载体，它的性能也是直接影响整体链路性能是否完善的关键因素。对于高速pcb来说，就算是经验丰富的工程师，在设计高速链路的时候，仍需要对过孔、焊盘等细节进行优化。若有serdes或者ddr的走线，对其串扰的分析就更不可避免。
芯和cpu应用中的si/pi解决方案芯和半导体针对cpu应用中的封装以及pcb的si/pi提供了完整的解决方案。对于传统型封装的qfn、qfp或者fcbga，工程师可以利用芯和半导体的工具，针对其金线、bump等结构进行分析；对于3dic、chiplets或者tsv结构的先进封装，设计人员同样可以利用工具进行设计-分析的一站式流程；而对于pcb板级，也可以根据低频-高频不同的应用场景进行相应的算法切换并进行分析。
图2 cpu应用中的si/pi解决方案
1. 信号完整性、电源完整性分析
芯和半导体的hermes 3d、hermes psi提供了针对cpu封装的si及pi的解决方案。hermes 3d是一款三维全波电磁场仿真工具，它可以支持主流ecad工具输出的版图文件，导入生成相应的3d模型。它同时提供了自动切割版图和自动添加端口的功能，大幅提高了工程师的建模效率。hermes 3d采用自适应网格剖分技术和有限元算法，可以确保对任意三维结构在任意频段都具备较高的求解精度。
hermes psi 是一款专注封装与板级电源完整性分析的工具，包括直流压降分析和交流阻抗分析两大功能模块。在设计中，直流压降分析可以帮助工程师快速分析电源的直流效应，并检查直流压降、电流趋势和电流密度分布，优化电源路径中可能存在的瓶颈。交流阻抗分析可以计算封装基板和pcb之间的pdn阻抗，并自动优化去耦电容。
图3 hermes3d 帮助建模与si仿真
图4 hermespsi帮助建模与pi仿真
2.先进封装仿真建模
芯和半导体的metis工具提供了专注于先进封装的建模和仿真流程，针对目前最为火热的chiplets、tsv、interposer等结构，有着明显的建模和仿真优势。工程师可以利用它突破传统封装仿真技术的极限，同时容纳超大规模的信号数量，并利用矩阵级别的集群分布式计算，提高计算效率的同时，降低硬件资源消耗，真正达到快速、节省的跨尺度仿真效果。工程师在初次使用时，可以通过3dic和先进封装两种分析流程向导，快速完成联合仿真设置。利用内置的speed、balanced和accuracy三种仿真模式，满足工程师不同设计阶段对精度和速度要求。
图5 metis提供先进封装仿真流程
3.pcb板级协同仿真
在cpu设计时，pcb和封装的协同设计同样重要。工程师不但可以通过hermes工具进行封装设计仿真，也可以进行pcb板级设计的仿真。设计人员利用hermes psi的拓扑功能，可以快速进行封装和pcb板级的协同仿真。此外还可以进行电、热的协同仿真，让工程师可以直观的了解现有设计中芯片的供电质量如何，电流密度是否满足设计规范要求。根据这些仿真结果，让工程师可以调整优化现有封装设计，从而大大加快产品的设计周期，提高产品的设计质量。
图6 hermespsi拓扑功能帮助仿真设计
总结本文首先从国内cpu的发展现状切入，讲述了目前cpu研发现状以及市场现状，引出cpu应用中的挑战。无论是传统型封装、先进封装还是pcb板级，cpu在设计时都会存在信号完整性、电源完整性的问题。芯和半导体的hermes 3d、hermes psi可以进行信号完整性、电源完整性的分析；metis工具可以帮助工程师进行先进封装的仿真；同时它们也都支持pcb板级的协同仿真，可以很好的从根本上解决cpu应用中的仿真难题。
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2018年十大战略科技发展趋势，前三个都和人工智能有关
HDMI接口的硬件设计
工业开关电源需求两极发展，五大阵营各出奇招
智能眼镜还能这么玩?你见过吗
为互联世界设计和生产智能产品推动智能制造战略
适合工业设备市场物联网应用的无线模块
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国产cpu中以x86架构代表的企业有兆芯、海光。其中，兆芯是来自威盛的x86技术，架构技术和性能相对intel、amd有所差异；海光获得的是amd 14nm zen架构的ip授权。arm架构的代表还有华为、飞腾。此外，mips架构的代表有龙芯。
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cpu应用中的挑战
1. 信号完整性、电源完整性挑战
在cpu中，通常采取优化多核心、高速缓存、内存、io等接口的方式，以达到提升运算速度并降低功耗的目的。但在这一过程中，不可避免的会存在信号完整性和电源完整性的问题，而且越是使用先进工艺节点，其挑战就越严峻。无论是对于传统封装还是先进封装，信号的可靠程度与电源的稳定性都是衡量芯片质量的标准。因此，在设计中必须面对这两个老生常谈的问题。除了优化设计外，如何加快设计迭代速度也是设计中的重要考量因素。
2. 先进封装带来挑战
cpu的封装，从早期的qpf、fcbga到现在的先进封装，有了更多的变化。对于cpu芯片来说，随着工艺的发展，工程师利用硅载板或者tsv结构设计的先进封装，如何能够准确高效的处理好多个信号之间的串扰问题，也是设计的重要一环。
以鲲鹏920为例：下图是三颗裸芯组成的64核芯片，其中左边两颗为计算die，每颗含32个tsv110核，由4个核组成一个簇，8个簇挂在一个环状总线上，32mb的l3作为一个节点也挂在环上，同样的存控也作为一个节点挂在环上。三颗裸芯之间由 chip间总线实现互连。复杂的工艺以及众多的信号线需要一个强大计算能力的仿真工具，完成对信号和串扰的评估。
图1 鲲鹏920内部架构图
3. pcb板级协同挑战
对于cpu芯片来说，在设计配套cpu的pcb测试版、demo板时，也需要进行相关的仿真工作。一方面芯片的高速接口需要pcb的协同设计，另一方面，pcb作为cpu的配套使用载体，它的性能也是直接影响整体链路性能是否完善的关键因素。对于高速pcb来说，就算是经验丰富的工程师，在设计高速链路的时候，仍需要对过孔、焊盘等细节进行优化。若有serdes或者ddr的走线，对其串扰的分析就更不可避免。
芯和cpu应用中的si/pi解决方案芯和半导体针对cpu应用中的封装以及pcb的si/pi提供了完整的解决方案。对于传统型封装的qfn、qfp或者fcbga，工程师可以利用芯和半导体的工具，针对其金线、bump等结构进行分析；对于3dic、chiplets或者tsv结构的先进封装，设计人员同样可以利用工具进行设计-分析的一站式流程；而对于pcb板级，也可以根据低频-高频不同的应用场景进行相应的算法切换并进行分析。
图2 cpu应用中的si/pi解决方案
1. 信号完整性、电源完整性分析
芯和半导体的hermes 3d、hermes psi提供了针对cpu封装的si及pi的解决方案。hermes 3d是一款三维全波电磁场仿真工具，它可以支持主流ecad工具输出的版图文件，导入生成相应的3d模型。它同时提供了自动切割版图和自动添加端口的功能，大幅提高了工程师的建模效率。hermes 3d采用自适应网格剖分技术和有限元算法，可以确保对任意三维结构在任意频段都具备较高的求解精度。
hermes psi 是一款专注封装与板级电源完整性分析的工具，包括直流压降分析和交流阻抗分析两大功能模块。在设计中，直流压降分析可以帮助工程师快速分析电源的直流效应，并检查直流压降、电流趋势和电流密度分布，优化电源路径中可能存在的瓶颈。交流阻抗分析可以计算封装基板和pcb之间的pdn阻抗，并自动优化去耦电容。
图3 hermes3d 帮助建模与si仿真
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