比特币矿机设计之芯片封装设计

liuxy · 发表于 2018-12-25 21:38

EDA365欢迎您登录！

您需要登录才可以下载或查看，没有帐号？注册

x

   今天有时间，写写笔记，文笔不好，大家迁就。    随着时代的发展，越来越多的技术伴着EDA工具的不断完善以及工作的细分，从前觉得很专业的事情，现在变得门槛越来越低，闲下来的时候想想如果我依然只会画画原理图，画画PCB，那么迟早会被更加有精力、更加专业的人替代就觉得心慌。比如五年前，我当时能够完成一拖8的DDR3设计，在当时可以靠这个混口饭吃。然而现在你在去看，满大街的layout工程师，他们比我有精力、比我更渴望学习、比我更加容易接受新的EDA工具和新的设计理念。因此我必需给自己找条更好的路，让自己的技术更加丰富起来，更加有能力去解决一些在当下很多人无法解决的问题。    我觉得在未来，底层的layout也好，数字电路设计也好，基本一个普通的大专生培训3个月就可以非常轻松的上手，毫不夸张的说，只要你懂欧姆定律，就可以实现一个平板电脑的设计，因为现在的很多功能都已经sip到了芯片内部去了，哪怕是模拟的RF部分，现在也将LNA、SWITCH等等射频电路集成了，前端只有做个天线的阻抗匹配即可，所以你可以看到，其实技术依然在，只是越来越多的活被做芯片人干掉了，所以我以时俱进，去干一干系统集成的一个部分：如何通过芯片级的设计去解决一些板级发生的问题。
   在研究挖矿机的时候，我发现了一个比较严峻的问题：
   由于芯片的电流非常的大，传统的芯片VCC和VSS的焊盘设计见下图：

上图设计，工程师一般要把DIE放置在VSS焊盘上，因此我们会看到，电流的流通路径必然会是从VCC焊盘取电，然后通过基板在通过DIE的BALL传递到内核，在经过die的BALL传导到基板在下到PAD在回到电源负极，见图，

如果电流很小，那么我么可以不用考虑这个路径上的阻抗导致的drop。然而BTC的芯片过电流往往会是30A以上，因此我以30A模拟仿真了下数据，可以发现一些端倪：

上图可以看到，红色部分为VCC焊盘下方，设置的输入源，我们看IR-DROP可以看到，在DIE的下端明显压降远远大于上端。这就会造成一个问题：DIE下端的单元获取到电压会低于上端电压，进而如果按理论VCC=0.5V供电会导致下端的计算单元的正确率低于上端，如何解决该问题呢？一个简单的办法就是加压：把电压抬高到下端能够达到0.5V，但是这样造成一个新问题：上端的单元供电电压偏高进而造成功耗增大。
   以上问题，如果是一个原理工程师或者PCB工程师或者单纯的substrate工程师都可能无法真正的认识到并做出改进，因为实际上对于封装工程师而言，也许他不会意识到系统设计上的大电流给后端造成的困扰，而原理图工程师由于不清楚封装设计原理从而无从下手，很好，我发现我可以做这件事，因为我既懂得板级设计又懂芯片设计，应该有机会靠这个混碗饭吃。
   如何改进改办法呢？我们还是要分析一下，用的知识点不懂，就是欧姆定律：压降大原因是阻抗大，为什么阻抗大？是因为过电流层只有基板上的铜，而这个铜一般只有30um，在30A的电流下，催生了如此大的压降。因此改进点就是：如何降低路径上的阻抗。方法如下：
   1、基板加层。我去，太贵了。
   2、基板铜厚增加，一样，太贵了。
   3、减短路径。
   我考虑了下，第三个办法应该是可行的，如何减短路径？我把焊盘重新调整了下：

上图的改进点在于，我将电源的焊盘延伸下来了，由于PCB铜厚可以做的2OZ，因此可以大大减小路径阻抗，同时由于四周都进电源，也能侧面减小路径，看一下仿真图：

结果果然：very good！！

真想做一下这个测试，可惜做一个16nm的芯片从RTL设计到板级没有2000万是下不来了，遗憾没有办法实际来验证一下这个结论。然而从这里有可以看到，越往芯片级的设计，越需要设计者考虑的更加的充分，做好仿真，通过理论和仿真进行对比，进而做出最优的设计，因为你再也不敢说：错了没事，咱在打一板不就得了。