Effiziente Modellbildung für Verbindungsstrukturen der Elektrotechnik Vortrag am Lothar-Collatz-Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen, Universität Hamburg 18. Juni 2013 Prof. Dr. sc. techn. Christian Schuster Theoretische Elektrotechnik Technische Universität Hamburg-Harburg
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Transcript
Effiziente Modellbildung für Verbindungsstrukturen
der Elektrotechnik
Vortrag am Lothar-Collatz-Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen, Universität Hamburg
18. Juni 2013
Prof. Dr. sc. techn. Christian Schuster
Theoretische Elektrotechnik Technische Universität Hamburg-Harburg
2
Mitarbeiter
Xiaomin Duan, Sebastian Müller, Miroslav
Kotzev, Andreas Hardock, Heinz-Dietrich Brüns
Young Kwark, Xiaoxiong Gu, Renato Rimolo-
Donadio, Bruce Archambeault, Hubert Harrer,
Mark Ritter
Jim Drewniak, Jun Fan, Yaojiang Zhang
… und weitere!
3
1. Warum Leiterplatten, Streifenleiter und Vias?
2. Modellbildung in der Elektrotechnik
3. Effiziente Modellbildung für Leiterplatten
4. Anwendungen
5. Zusammenfassung und Ausblick
Übersicht
4
1. Warum Leiterplatten, Streifenleiter und Vias?
2. Modellbildung in der Elektrotechnik
3. Effiziente Modellbildung für Leiterplatten
4. Anwendungen
5. Zusammenfassung und Ausblick
Übersicht
32 node cards
1,024 chips
2.8/5.6 TF/s
512 GB
Rack 64 Racks
65,536 chips
180/360 TF/s
32 TB
System
32 chips
16 compute nodes, IO cards
90/180 GF/s
16 GB
Node card
2 chips
5.6/11.2 GF/s
1.0 GB
Compute node
2.8/5.6 GF/s
2 processors
Chip
A. Peters and J. Budnik, “High throughput computing on Blue Gene”,
IBM Systems and Technology Group, 2007
More than 500
PCBs in a rack!
Aufbau eines Server-Systems
5
Ein typisches Leiterplattendesign
6
John Isaac (Mentor Graphics): “Overcoming increasing PCB complexity
with automation”, www.techdesignforums.com, August 2012
Trends
7
Kosten
www.aberdeen.com, August 2012 8
... Schlussfolgerung:
Rapid high speed
design of complex
PCBs – and hence
via arrays and
their fanout –
remains of interest
9
10
1. Warum Leiterplatten, Streifenleiter und Vias?
2. Modellbildung in der Elektrotechnik
3. Effiziente Modellbildung für Leiterplatten
4. Anwendungen
5. Zusammenfassung und Ausblick
Übersicht
“Mathematisch-Numerisch”
UI
Z
s
jkr
jkr
UsddAr
eJ
j
dAr
eJ
j
4
4
11
“Elektrotechnisch”
12
Frequency
Ma
gn
itu
de
of Im
pe
da
nce
“Elektrotechnisch”
13
Frequency
Ma
gn
itu
de
of Im
pe
da
nce
“Elektrotechnisch”
14
“Elektrotechnisch”
15
S-, Y-, or Z-
Parameters
“Elektrotechnisch”
16
“Elektrotechnisch”
17
UI
Z
18
1. Warum Leiterplatten, Streifenleiter und Vias?
2. Modellbildung in der Elektrotechnik
3. Effiziente Modellbildung für Leiterplatten
4. Anwendungen
5. Zusammenfassung und Ausblick
Übersicht
Picture courtesy IBM Yorktown (Y. Kwark)
Power Planes
Stripline
Signal and
Power Vias
Transmission
Line Models
Planar Circuit
Models
Via Models
19
Leiterplatte im Querschnitt
Modell für Leitungen
I1
V1
I2
V2
lZ ,,0
20
2
2
0
0
1
1
)cosh(/)sinh(
)sinh()cosh(
I
V
lZl
Zll
I
V
(ABCD-Parameters)
x
y
z
(0,0,0) (a,0,0)
(a,b,0)
(a,b,d)
Port i Port j (xi,yi)
Open
Plane
Edges
Voltage
Current
(xj,yj)
Filling with and
CRM
kb
nk
a
mk ynxm ,, otherwise 2 and 0,for 1 , nmCC nm
0 0222
22pp )cos()cos()cos()cos()(
m n ynxm
jynjxmiynixm
nmijkkk
ykxkykxkCC
ab
djZ
21
1. Modell für planare Schaltkreise
T. Okoshi, “Planar Circuits for Microwaves and Lightwaves”, Springer Verlag, Berlin
x
y
z
Separation d
Port i Port j (xi,yi)
No
Plane
Edges Voltage
Current
(xj,yj)
Filling with and
)(
)(
2)(
0
)2(
1
)2(
0
0
pp
kH
kHjdZ
ij
ij
k,dist.port,radiusport 00
RWM
22
2. Modell für planare Schaltkreise
T. Okoshi, “Planar Circuits for Microwaves and Lightwaves”, Springer Verlag, Berlin
x
y
z
Separation d
Port i Port j (xi,yi)
Any
Type of
Plane
Edge Voltage
Current
(xj,yj)
Filling with and
CIM
3. Modell für planare Schaltkreise
23
sdkHdjVkHj
kV
C )(ˆ)()()(ˆˆ
2)( )2(
0
)2(
1 rJnrrrrrnRr
)2(
1H)2(
0H : Zero-order and first-order Hankel
function of the second kind
k, η, d: wavenumber, wave impedance and
thickness of the substrate
T. Okoshi, “Planar Circuits for Microwaves and Lightwaves”, Springer Verlag, Berlin
Top view, 5th cavity
Excitation: Gaussian pulse (fmax = 40 GHz)
24
Elektrisches Feldverhalten um Vias
Top view, 5th cavity
Infinite planes Finite planes (Open)
Top view, 5th cavity
25
Elektrisches Feldverhalten um Vias
26
Elektrisches Feldverhalten um Vias
1 Ground Via:
1 GND via
GND Via
SIG Via
27
Elektrisches Feldverhalten um Vias
2 Ground Vias:
28
Elektrisches Feldverhalten um Vias
4 Ground Vias:
29
Elektrisches Feldverhalten um Vias
6 Ground Vias:
30
Via Cross
Section
Modell für Vias
Cp
Zpp
Cp
Via
Plane
Plane Cp
Cp
Zpp
Parallel Plate
Impedance
Return
Current
Via
Current
31
'uiV
'liV
'liI
'uiI
vu
iC
vl
iC
pp
iZ' '
' '
0
0
pp ppu cu ui i ii i
pp ppl cl li i ii i
Y Yc
I Y VY Y
I Y VY Y
v
Via Array
' '
' '
0
0
cu pp ppu u
pp ppcll l
YYc
YI VY Y
I VY YY
v
Modell für Vias
32
Modell für Vias
Y. Zhang, J. Fan, G. Selli, M. Cocchini, and D. P. Francesco
“Analytical evaluation of via-plate capacitance for multilayer printed circuit boards and packages”
IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. 56, no. 9, September 2008.
(2) (2)
(2)
2 1
.
0 0
01,3,5..2
8 1( ) ( )
ln( ) ( )
N
n
dn n
n n
H k H kd k H k
ap
i
apb vi i iv v
i i
C r rr / r r
22
0 )/( dnkk rn
Verknüpfung mit Leitermodell
33
Trace between planes:
2 Modes: Stripline + Parallel Plate
Picture courtesy IBM Yorktown (Y. Kwark)
Verknüpfung mit Leitermodell
34
Yv
uI
1
uI
2u
V2
uV
1
lV
1
lI
1
lV
2
lI
2
tltl
tltlsl
YkkYkk
YkkYkY
)12()(
)(
22
22
sl
pppp
ppppv
YYY
YYY
ul
l
hh
hk
admittance line
on Transmissitl
Y
Picture courtesy IBM Yorktown (Y. Kwark)
tlYkk
tlYkk
tlYkk
tlYkk
tlYk0
0tl
Yk
)()(
)()(
)( 22
22
1
vl
vu
Y0
0Y
l
u
I
I
T T
1uv
1ui
2uv
2ui
3uv
3ui
1lv
1li 2l
v2l
i3l
v3l
i
u
uIV
l
lIV
pppp
pppp
YY
YY
Ztl Ztl
Zpp Zpp Zpp Zpp
l
u
V
V
vC
vC v
C
vC
vC v
C
R. Rimolo-Donadio, X. Gu, Y. H. Kwark, M. B. Ritter, B. Archambeault, F. D. Paulis, Y. Zhang, J. Fan, H.-D. Brüns, C. Schuster
“Physics-based via and trace models for efficient link simulation on multilayer structures up to 40 GHz”
IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. 57, no. 8, pp. 2072-2083, August 2009.
Modell für eine Kavität
35
Zpp Ztl
Decap
Linterc.
Zpp Ztl
Decap
Linterc.
Decap
Linterc.
Decoupling capacitor model
Cavity
N
Port i Port j
Port k
36
Vollständiges Leiterplattenmodell
Cavity
1
Cavities merged using
segmentation techniques
S-, Y-, or Z-
Parameters
6 Vias, 4 traces case
Centered striplines at two
levels, and thru vias in a 6
cavity stackup
Full-wave model
Mag
nit
ude
of
S12 [
dB
]
Frequency [GHz]
Model
FEM simulation
FIT simulation Full-wave model M
agn
itu
de
of
S14 [
dB
]
Frequency [GHz]
Model
FEM simulation
FIT simulation
37
Vergleich mit anderen Methoden
Computation is 2 to 3 orders of magnitude faster in comparison