Александр Акулин, технический директор, компания PCB SOFT (ООО «ПСБ СОФТ»), akulin@pcbsoftware.com

В Статье описан новый тепловой симулятор Celsius, представленный компанией Cadence в ходе онлайн-демонстрации. Симулятор предназначен для совместной электрической и тепловой симуляции печатных плат и электронных устройств в корпусе, а также микросхем с учетом их полной внутренней конструкции и топологии проводников.

Избыток тепла убивает электронные компоненты, и никто не знает этого лучше, чем разработчики электроники. С каждым новым проектом требования к потребляемой мощности устройств увеличиваются, в то время как габариты приборов уменьшаются. В результате, в печатной плате вырабатывается слишком много тепла, и возникают проблемы с его рассеиванием в окружающее пространство. Представьте себе, например, что ноутбуки станут настолько сильно греться, что будут обжигать колени пользователя, смартфоны станут отключаться из-за слишком активной работы с интернетом, а литиевые батареи в приборах будут воспламеняться в процессе перезарядки. Чтобы не допустить возникновения подобных проблем, разработчикам требуются инструменты, позволяющие достоверно вычислять степень нагрева электронных компонентов и решать проблемы теплоотвода, причем это следует делать на этапе разработки, когда проектируется корпус и конструкция прибора, выполняется компоновка и трассировка печатных плат.

Компания Cadence, наиболее хорошо известная своим программным обеспечением для автоматизированного проектирования печатных плат Allegro и OrCAD, анонсировала новую программу для анализа тепловыделения – Celsius Thermal Solver. Этот симулятор использует методы конечных элементов (FEA) и вычислительной гидродинамики (CFD) для обнаружения перегрева микросхем, печатных плат и корпусов приборов с учетом тепловыделения, теплопередачи и конвекционной передачи тепла (см. рис. 1).

Рис. 1. При моделировании тепловыделения крайне важно учитывать точные геометрические параметры всех объектов. В данном случае учитывается даже прямоугольное сечение золотых проволок внутри микросхемы. В правом нижнем углу видна перегретая (красная) проволока из-за слишком большого для нее тока

Celsius получает полную информацию о конструкции корпуса и топологии печатной платы из инструментов САПР, в т.ч. из проектов САПР печатных плат Cadence Allegro или OrCAD. Более того, Celsius может получить информацию о детальной конструкции самой микросхемы, если речь идет об анализе тепловыделения и нагрева внутри ее корпуса. Таким функционалом могут заинтересоваться отечественные разработчики микросхем процессоров, которые пользуются САПР Cadence для проектирования СБИС и корпусов/подложек микросхем (САПР для разработки подложек Cadence Allegro Package Designer/System In Package является расширенной версией САПР печатных плат Cadence Allegro PCB Designer).При анализе тепловыделения внутри корпуса микросхемы в Celsius более всего впечатляет, пожалуй, уровень детализации внутреннего устройства микросхемы. Сегменты тончайшей золотой проволоки, которыми кристалл микросхемы соединяется с выводами подложки, выглядят как нити паутины (см. рис. 1). Но стоит увеличить масштаб в окне 3D-представления Celsius, и можно увидеть, что моделируется даже прямоугольное сечение этой проволоки. При протекании тока проволока нагревается, и Celsius визуализирует это – нагретые участки становятся красными в случае локального перегрева. Невероятно, но программа Celsius может рассчитать и отобразить тепловые характеристики всей геометрии микросхемы, включая сотни проводов, проводники и переходные отверстия в подложке, шариковые выводы BGA или Flip-Chip. Чтобы значительно сократить время моделирования, Celsius использует библиотеку готовых объектов, которые активируются по мере прохождения тока по цепям. Результирующие температуры можно увидеть снаружи, внутри, с рассечением объектов, или с удалением некоторых объектов. Celsius выполняет рассечение микросхемы в любой плоскости, часть за частью и послойно. Можно увидеть, например, что место соединения микросхемы с подложкой, в которой часто накапливается тепло, с течением времени перегревается. Местоположение точки перегрева определяется с точностью до миллиметра.Напрашивается вывод, что Celsius идеально подходит для разработчиков микросхем, выделяемая мощность которых становится все больше при меньших размерах кристаллов и подложек. Однако, как уже упоминалось, Celsius также в состоянии осуществлять тепловой анализ на уровне печатной платы, и даже на системном уровне всего прибора в корпусе с учетом обдува, работы радиаторов и других систем теплоотвода. С помощью алгоритмов FEA и CFD симулятор Celsius анализирует не только переходные температурные процессы, но и устойчивые тепловые состояния проектируемого электронного устройства (см. рис. 2).

Рис. 2. Celsius моделирует переходные процессы при совместной симуляции электрических токов и тепловых потоков, а также анализирует реакцию на разные режимы работы и профили мощности с учетом нагрева проводников от эффекта Джоуля-Ленца

В процессе онлайн-демонстрации анализ образца смартфона с помощью Celsius занял всего несколько секунд после импорта геометрических параметров из файла в формате STEP. Специалисты Cadence утверждают, что решатель Celsius работает в 10 раз быстрее других аналогов. Почти мгновенно можно было увидеть, что смартфон при активной работе нагревается до 67°С. По словам специалиста Cadence, учитывалась только теплопроводность материалов и теплопередача, но в рассматриваемом случае этого достаточно, поскольку конвекция играет незначительную роль внутри смартфона. В результате время вычислений существенно сократилось.Симулятор Celsius легко интегрируется в программное обеспечение для проектирования электроники Cadence, например в ПО OrCAD и Allegro PCB Designer для разработки печатных плат, а также Allegro Package Designer/SIP, Voltus, Virtuoso или Innovus для разработки микросхем. Топология компонентов и геометрические параметры печатной платы считываются из файлов Cadence собственного формата. Для представления геометрических параметров трехмерной конструкции прибора, а также трехмерных объектов на печатных платах и ​​в компонентах, используются файлы нейтральных форматов, например STEP. Таким образом, Celsius предоставляет дополнительные удобства пользователям САПР, отделяя геометрические параметры системы от топологии текущего проекта: если параметры конструкции изменятся, разработчику не потребуется заново подгружать данные о топологии платы. Как уже упоминалось, Celsius считывает данные напрямую из файлов стандартных форматов для проектирования микросхем, корпусов и печатных плат.Celsius выполняет моделирование с учетом зависимости режимов тепловыделения от времени, например с изменением электрического тока, или с учетом временны́х характеристик, смены режимов работы и профилей мощности, которые можно получить из программного обеспечения для проектирования электроники. Возможность быстро установить величину электрического сопротивления объектов и рассеиваемой на них мощности, легко и просто проводить тепловой анализ, а также учитывать детализованную геометрию объектов и их физическое расположение обеспечивает точные результаты моделирования. Права на ядро моделирования FEA принадлежат компании Cadence, а ядро моделирования CFD лицензировано у стороннего разработчика. Постобработка в 3D основана на ядре ParaView, анализаторе данных с открытым исходным кодом, который был разработан в Лос-Аламосской национальной лаборатории.

Многозадачность

В онлайн-демонстрации не было показано, однако было заявлено, что Celsius может решать действительно огромные (по количеству элементов, а не по размеру объекта) задачи. Celsius использует преимущества многопоточной распределенной архитектуры с массивным параллелизмом, которая может масштабироваться до сотен процессоров, например в вычислительных центрах HPC, что позволяет увеличить скорость более чем в 10 раз по сравнению с однопоточными решателями (см рис. 3).

Рис. 3. Превосходство в скорости в 10 раз. Параллельная многопоточная архитектура Celsius обеспечивает преимущество при использовании либо ускорителей GPU, либо облачных вычислений

Очевидное решение для пользователей Cadence

Симулятор Celsius дополняет набор инструментов разработки электроники, поставляемых компанией Cadence. Эта программа, в первую очередь, предназначена для разработчиков электроники с помощью программного обеспечения Cadence, например Allegro и OrCAD. Таких инженеров множество, потому что компания Cadence является ведущим поставщиком САПР и многие ведущие компании-производители электроники являются ее клиентами. Однако и пользователи альтернативных САПР имеют возможность задействовать этот симулятор, импортировав проекты в Celsius путем обмена файлов топологии печатной платы стандартных форматов (ODB++) и 3D-конструкции прибора (формат STEP).

За дополнительной информацией о симуляторе Celsius, вебинаре с демонстрацией возможностей или для заказа демонстрационной версии обращайтесь с запросом к официальному дистрибьютору Cadence по адресу info@pcbsoftware.com.

Рис. 3. Превосходство в скорости в 10 раз. Параллельная многопоточная архитектура Celsius обеспечивает преимущество при использовании либо ускорителей GPU, либо облачных вычислений