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一、背景 高速串行通道(Serdes)是目前絕大多數通信系統中用到的數據傳輸通道，為滿足人們對圖片、視頻傳輸所帶來的日益增長的帶寬需求，通信設備中高速串行通道上的信號速率以每五年翻一倍的速度進行提升。從最初的單鏈路10Mb/s速率一路提升到當前業界廣泛應用的25Gb/s速率，而且未來還會向著56G、112G等更高速率持續演進，圖1所示即為以太網聯盟定義的以太網速率升級路線圖。 圖1 未來五年以太網速率升級路線圖 對于幾十Gbps速率的高速串行鏈路，單純依靠以往的設計經驗，已經無法確保高速鏈路設計的正確性。因此，需要采用各種高頻電磁場仿真的EDA工具軟件，在設計前和設計完成后對高速串行鏈路進行前仿真和后仿真分析，充分驗證高速串行鏈路的各種電氣性能是否滿足設計要求，從而確保一次性地設計成功，滿足產品上市的時間需求。 當前業界已經有多款高頻電磁場仿真工具，如ANSYS Electronics系列仿真工具(包括HFSS、SIWave、SystemSI、Nexxim等)、KeySight ADS/EMPro等、Cadence Sigrity仿真套件、Synopsys HSpice等。這些EDA仿真軟件均為國外大廠開發，且經過了多年的業界應用，軟件的功能、易用性、仿真精度等各方面都經過了充分驗證。但正如前文所述，人們對以太網帶寬持續提升的迫切需求使得路由器、交換機、服務器等數據通信設備中的高速串行鏈路速率飛速提升，如何實現對更高信號速率鏈路的準確建模分析，成為了當前EDA仿真軟件領域各個廠家均需面對的課題。另外，隨著信號速率的提升，高速鏈路中以往可以忽略的一些影響因素，如綠油影響、BGA焊球、走線淚滴等，在當前的仿真模型中均需考慮進去。 芯禾的Expert系列軟件(Via Expert、Snp Expert、Channel Expert)是完全在國內研發的一套高頻電磁場仿真分析軟件，在吸取了上述各個EDA國際大廠軟件優點的基礎上，為信號完整性設計者提供了一整套更加便捷的高速Serdes鏈路建模、仿真、分析方法。基于芯禾的Expert系列軟件，可以讓SI仿真人員從繁瑣的通道建模和數據分析中解放出來，將精力更加集中在通道鏈路的性能分析和優化上，從而大幅提升仿真設計效率。 下面將詳細講解使用芯禾Expert系列軟件實現高速鏈路的前仿真和后仿真方法。 二、高速鏈路的前仿真 圖2 傳統背板系統鏈路示意圖 圖2所示為傳統背板系統鏈路，信號從一塊子卡上的芯片發出，經過背板后被另一塊子卡上的芯片接收。以此信號拓撲為例，高速Serdes鏈路的前仿真過程包括了以下幾個步驟： 1、從連接器廠家處獲得高速連接器的S參數模型; 2、建立各塊單板上信號孔和走線的模型; 3、搭建整體鏈路拓撲，仿真鏈路的插損、回損、阻抗等曲線; 4、查看仿真結果，并將仿真結果與國際標準進行對比，判斷鏈路的電氣性能是否滿足規范要求。 由于連接器廠家通常會提供其高速連接器的S參數模型給用戶，因而，對高速通道仿真人員來說，仿真的實際工作是從上述第二步開始的。 如圖3所示，在Via Expert軟件中有各種建模的Template。使用這些Template，用戶只需要跟隨向導界面，設置好疊層和相關參數，就可以由軟件自動建出所需的三維模型。相比于HFSS、EMPro、Sigrity等軟件，Via Expert針對PCB鏈路建模所做的這些Template大大簡化了仿真人員的建模工作量，使得用戶通過GUI界面向導，在很短的時間內就可以建出所需的模型。 圖3 使用Via Expert自帶的各種Template建出PCB上各種孔的模型 ?用Via Expert對BGA處差分過孔建模 在圖3界面中選擇Model With BGA模板，就會彈出圖4所示的BGA Via建模向導。在圖4界面中，用戶可以選擇軟件自帶的疊層，或者導入實際單板上的疊層。然后，通過設置Padstack處的數據值，定義BGA處的過孔和焊盤的具體尺寸。接著，設置BGA Pitch的大小、過孔的數量。最后，設置BGA處Fanout短線的長度、方向。如果用戶覺得有必要，還可以給BGA Pad加上焊球的模型，從而更真實地模擬BGA處的物理特性。 圖4 BGA Via建模向導Step 1 圖5 BGA Via建模向導Step 2 圖6 通過Template建出的BGA Via模型 完成參數設置之后，點擊圖4中的Next按鈕，進入圖5所示的BGA Via建模向導界面。由于在圖4界面中設置所有過孔均為地孔，因此需要在圖5界面中選中部分地孔，通過鼠標右鍵菜單將其屬性更改為信號孔。完成這一設置后，再點擊Next按鈕，對BGA Via模型進行必要的切割。之后點擊Finish按鈕，軟件就會自動建出圖6所示的BGA Via過孔模型。 在Via Expert軟件生成的新工程文件的Footprint界面中，對BGA Pad賦上Coax Port，對引出的差分線賦上Lumped Port或Wave Port，再設置好仿真的頻段，整個建模過程就結束了。在檢查無誤后，就可以在Via Expert中進行仿真，獲得模型的S參數。 ?用Via Expert對AC耦合電容建模 10Gbps及以下速率的高速Serdes鏈路上通常都會帶有AC耦合電容，起到隔離直流電平的作用。在大部分EDA仿真工具中，AC耦合電容部分都需要由仿真人員手動建模。這不僅耗時耗力，而且對于初學者而言，很難一次性建出正確的模型。類似于BGA Via建模，Via Expert軟件也提供了AC Cap建模Template。在圖3界面中選擇Model With AC Cap模板，就會彈出圖7所示的AC Cap建模向導。為了便于給模型添加仿真端口，在圖7所示的AC Cap模型中包括了電容焊盤上的引出走線，以及引出走線對應的Fanout過孔。 圖7 AC Cap建模向導 在AC Cap建模向導界面中提供了大量可以設置的參數。在圖7中的Stackup/Padstack一欄中，用戶可以設置AC Cap Fanout過孔的孔徑、焊盤等尺寸。在AC Capacitor一欄中，用戶可以設置AC Cap所在的位置是單板的Top面還是Bottom面，同時設置AC Cap焊盤的尺寸、焊盤對應的參考層、焊盤在參考層上的掏空大小等參數。在Signal/Ground一欄中，用戶可以設置Fanout過孔之間的間距、Fanout過孔的類型等參數。在Trace/port一欄中，用戶可以設置AC Cap兩端差分線的線寬、間距、所在的走線層等參數。 可以說Via Expert提供的AC Cap建模向導界面中幾乎囊括了AC Cap建模所有必需的參數。如果用戶不清楚某些參數的含義，可以點擊Help按鈕。此時會彈出參數說明的示意圖，幫助用戶了解各個參數的意義。對于仿真人員而言，只需要根據自己的需要，在圖7界面中設置相應的參數，然后點擊OK按鈕，就可以非常輕松地獲得自己想要的AC Cap三維模型。 由Via Expert AC Cap建模向導建出的一種AC Cap模型如圖8所示。軟件建出的模型會自動設置好各種端口，用戶只需要在Via Expert軟件主界面中設置好仿真頻段，就可以正常進行仿真，獲得模型的S參數。 圖8 通過Template建出的AC Cap模型 ?用Via Expert對連接器Footprint孔建模 除了BGA Via和AC Cap之外，要仿真高速串行鏈路，還需要建模高速連接器在PCB上的Footprint信號通孔，Via Expert同樣提供了對應的建模Template。在圖3界面中選擇Model With Footprint模板，就會彈出圖8所示的BGA Via建模向導。 Via Expert中自帶了很多業界當前正在使用的高速連接器Footprint模型，如果沒有所需要的，可以在現有連接器Footprint模型的基礎上進行修改，然后另存為連接器Footprint模型庫文件。在圖8中選擇所需的連接器名，點擊Next按鈕，就會彈出該連接器的Footprint模型，如圖9所示。 根據仿真需要的信號孔數量對圖9中的連接器Footprint管腳進行選擇，然后點擊Finish按鈕，軟件就會自動生成圖10所示的連接器Footprint Hole三維模型。同樣的，在Via Expert軟件主界面上設置信號孔的端口和引出走線，再設置好仿真頻段，在Via Expert中仿真后就可以得到該模型的S參數。 圖8 Footprint Hole建模向導Step 1 圖9 Footprint Hole建模向導Step 2 圖10 通過Template建出的Footprint Hole模型 當信號速率較高時，對于各種孔的模型都會有背鉆的要求。Via Expert軟件對于信號孔的背鉆提供了非常方便的設置功能。 在Via Expert軟件主界面上點擊Project目錄樹中的Stackup項，就會彈出圖11所示的當前模型疊層設置界面。根據每層介質厚度和銅厚，在Elevation一欄中從下往上依次計算出了每一層在Z軸方向上的坐標值。在圖12所示的Drill頁面中，用戶可以通過By Layer或By Depth來設置背鉆的深度。如果通過By Layer來設置背鉆深度，可以在所指定的層位置通過Shift值來進行背鉆深度的上下偏移;如果通過By Depth來設置背鉆深度，則圖11界面中Elevation一欄中的值就可以幫助設計者快速確定背鉆深度，不需要由設計者再手動計算。 每一種背鉆類型的設定，在圖12界面右側都會有相應的圖示。背鉆深度的修改，可以及時反映到示意圖中，從而方便了設計者的檢查。除了可以做Bottom面到Top面的背鉆外， 圖11 Stackup界面中對疊層的顯示 圖12 Stackup界面中對各種背鉆的設置 用戶還可以設置Top面到Bottom面的背鉆，以及對一個孔同時設置Bottom面到Top面和Top面到Bottom面的背鉆。 對于背鉆后的孔，用戶可以設置其內部的填充材質是空氣或其它介質，從而對應實際PCB加工中背鉆孔是否做樹脂塞孔的工藝處理形式。 在圖12界面中完成上述種種設置后，將對應的設置項賦給需要做背鉆的信號孔，就完成了信號孔背鉆的整個設置過程。 從上面的背鉆設置細節中可以看到，Via Expert軟件在背鉆參數設置方面充分考慮到了用戶使用的便捷性、實際生產加工的制成等因素，可以讓用戶快速、高效、準確地完成背鉆設置，保證了仿真模型與加工實物的一致性。這一特色不僅體現在Via Expert軟件背鉆參數設置上，也貫徹在芯禾Expert整套軟件中。 ?用Channel Expert搭建傳統背板鏈路拓撲 對高速Serdes鏈路各個部分完成三維建模和仿真后，就可以在Channel Expert軟件中將通道各個部分的模型搭建起來，從而仿真整條鏈路的電氣性能。 與Via Expert一樣，在Channel Expert中針對不同的通道鏈路類型，也開發了對應的通道建模Template。如圖13所示，在Add Channel by Template菜單下有四種類型的通道鏈路建模Template。對于單板內部芯片與芯片之間互連的高速鏈路，可以選用Chip to Chip Template;對于傳統背板鏈路，可以選用Traditional Backplane Template;對于正交直連的背板鏈路，可以選用Orthogonal Direct Backplane Template;對于帶中置背板的正交背板鏈路，可以選用Orthogonal Mid-Plane Backplane Template。 針對本文中的傳統背板鏈路，選擇Traditional Backplane Template后，就會彈出圖14所示的傳統背板鏈路拓撲搭建向導界面。根據圖14界面例圖中的數字標號，用戶在界面下半部分從左往右依次設置單板上的過孔模型、走線模型、連接器通孔模型、連接器模型等。 對于鏈路不同部位的過孔模型、連接器通孔模型、連接器模型，通過圖14界面下半部分各個Via欄中的Add命令，將前面幾個步驟中仿真得到的S參數文件依次導入。在導入S參數文件的時候，用戶還可以根據導入界面上的設置項對S參數端口順序進行調整。對于鏈路不同部位的傳輸線模型，在圖14界面下半部分各個Trace欄中可以設置該傳輸線對應的疊層、線寬、間距、長度等參數。傳輸線模型可以是一對差分線，也可以是多對差分線。用戶不僅可以設置傳輸線所在介質的介電常數和損耗角，還可以設置銅箔的粗糙度。 圖13 Channel Expert中通道建模Template 圖14 傳統背板鏈路拓撲搭建向導 完成各種參數設置之后，點擊圖14界面上的OK按鈕，就會在Channel Expert主界面該工程項目下自動建出圖15所示的傳統背板系統一對差分鏈路的仿真拓撲，或者類似于圖16所示的多對差分鏈路的仿真拓撲。在圖14界面中設置的各種孔的S參數文件、傳輸線的仿真參數都會自動帶到圖15和圖16鏈路各個部分中去。用戶只需要設置一下仿真的頻段，點擊仿真按鈕后，就可以得到整個鏈路的頻域仿真結果。仿真結束之后，Channel Expert會自動地調用Snp Expert，將仿真得到的S參數文件自動導入Snp Expert中，讓用戶進行進一步的數據分析和后處理工作。 圖15 一對差分傳統背板鏈路仿真拓撲 圖16 四對差分傳統背板鏈路仿真拓撲 差分鏈路拓撲搭建功能在各類EDA仿真軟件中都有，其中最為典型的就是圖17所示的ADS的手動搭建方式。ADS中也有S參數、傳輸線等多個模塊，這些模塊之間需要用戶根據端口順序手動連線。這一過程較為繁瑣，一旦出現端口順序弄錯，往往要從頭檢查整個拓撲連線。 圖17 ADS中搭建的差分鏈路仿真拓撲 Channel Expert通過模板的方式輔助設計者進行鏈路拓撲的搭建，對導入的S參數還能夠進行端口順序的調整，從而使得整個拓撲各個部分之間的連接關系清晰、順暢。在設置好參數后，整個拓撲自動生成，不再需要設計者在各個部分之間手動連線，簡化了拓撲搭建的繁瑣操作，實實在在地提高了仿真效率。 如果Channel Expert自帶的Template無法與特定鏈路的拓撲完全一致，仿真人員可以先選用最接近的Template，在軟件自動生成拓撲后，再在已生成拓撲基礎上進行手動編輯，增加或刪除不必要的鏈路部分。可以說，Channel Expert的鏈路拓撲搭建方式即有自動化的，也支持手動編輯，具有相當高的靈活性。 ?在Snp Expert中查看仿真結果 Snp Expert是目前業界最好的S參數后處理軟件，是仿真人員對仿真結果分析的一大利器。Snp Expert支持S參數文件的批量導入、混合模的插損/回損/串擾/ICR/ICN等曲線的快速繪制、S參數的級聯和分解、S參數去嵌、仿真結果規范一致性分析、基于PRBS碼型的眼圖繪制等功能。 在Snp Expert中新建一個工程，將仿真得到的通道S參數文件導入，導入界面如圖18所示。Snp Expert會根據S參數文件內部的信息自動進行端口分類，如果用戶發現軟件端口分類有誤，還可以通過Pin Direction一欄下的選項進行調整。 圖18 Snp Expert中S參數導入界面 點擊圖18中的OK按鈕，就完成了S參數文件的導入，軟件會進入圖19所示的界面。在這里，用戶首先可以通過Auto Diff按鈕自動地給差分端口設置上差分屬性。然后，在Category處將S參數類型選擇為S Parameter Diff。接著，選擇Grid頁面，通過該頁面下方的多個按鈕自動選中所有的Diff IL、Diff RL等數據源。最后，點擊New Plot按鈕，就可以繪制出所需要的曲線。 Snp Expert的這一系列曲線繪制過程完全在GUI界面中通過鼠標操作來實現，相比而言，在ADS中要繪制出這些曲線，用戶需要手動編寫一定量的公式，費時費力。Snp Expert的這一功能相當好用，在ADS2016版本新增的S參數分析模塊中，也借鑒了Grid頁面的形式。從這一點上也可以看到業界EDA大廠對Snp Expert這一功能的肯定。 圖19 Snp Expert中S參數設置和繪制界面 在Snp Expert中繪制出各類曲線后，可以參照圖20所示的方法調出Compliance Configuration界面，在仿真曲線上添加各類國際標準的Spec紅線。圖20中在仿真得到的插損曲線上添加了100GBASE-KR4損耗標準紅線，設計者就很容易看到當前的設計是否會超出規范的要求。 圖20 為仿真曲線添加標準紅線 圖21 通道串擾計算步驟1 除了添加標準紅線之外，根據導入的S參數文件還可以進行近端串擾、遠端串擾、ICR等數據的計算。在Channel菜單下選中Xtalk命令，會彈出圖21所示的通道串擾計算界面。對于導入的S參數中包含的所有通路，軟件自動給出這些通路對應的所有串擾源。用戶只需要跟隨向導點擊Next按鈕，在圖22界面中選擇需要計算的項目，然后點擊Plot按鈕，就可以立即得到各類串擾曲線。 圖22 通道串擾計算步驟2 Snp Expert中還包括了USB Type-C各類參數計算、IEEE802.3BJ中COM指標計算等多種功能，限于篇幅，在本文中不再一一介紹。這些計算功能的原理可能較為復雜，但Snp Expert已經集成了這些功能，用戶只需要根據軟件界面上的提示進行鼠標操作，即可很方便地得到相關的數據和曲線。 三、高速鏈路的后仿真 在完成PCB設計之后，通常還需要對高速鏈路進行后仿真分析，確保實際設計結果與前仿真的預期一致。對于后仿真過程，重點在于對PCB上的實際布線拓撲進行提取和仿真。整體鏈路的仿真和仿真數據的后處理過程則與前仿真階段完全一致。 由于實際PCB結構復雜，包含的數據量較多。因此，如何快速、準確地從實際PCB上提取仿真人員需要的走線拓撲，極為考驗EDA工具的能力。Via Expert除了能夠根據Template建模之外，還為用戶提供了直接從PCB上提取走線拓撲的功能。 在圖3界面中選擇Model With Layout命令，就會彈出圖23所示的PCB文件導入界面。用戶選擇需導入的PCB文件后，Via Expert會解析文件，將PCB中所有的信號網絡列在圖23的左側，將能夠識別到的電源網絡列在圖23的右側。用戶從左側篩選出需要分析的網絡，將其移到右側列表中，然后點擊OK按鈕。Via Expert經過進一步解析之后，會彈出圖24所示的Cut View界面。在Cut View界面上，用戶可以根據實際走線形狀進行切割，將所需 圖23 Via Expert中PCB導入界面 圖24 Cut View界面中截取網絡實際走線 要的走線、信號孔保留下來，去除不必要的成分，得到圖25所示的實際走線拓撲的三維模型。在提取的實際走線拓撲兩端的信號孔或Pad上加上端口，設置好仿真頻段，就可以在Via Expert中進行仿真，最終得到實際走線拓撲的S參數。 經過多個版本的迭代之后，當前的Via Expert軟件不僅可以從PCB上提取各種復雜的走線、孔和反焊盤結構，而且對大規模單板的解析效率也較高。通過Via Expert的這一功能，用戶可以分別將單板、背板上的走線拓撲提取出來，仿真得到各自的S參數，然后在Channel Expert中仿真整個通道的性能。 圖25 從PCB上提取的實際走線拓撲 四、總結 芯禾的Expert系列軟件各自均具有強大的功能，互相配合使用，能夠實現高速鏈路的各類仿真。Via Expert可以方便地建出PCB上的各類模型，或者直接從PCB上提取需要的模型，經過仿真后得到模型的S參數。Channel Expert可以對各類通道拓撲進行自動或手動的搭建，即具有靈活性，也能夠提高通道搭建的效率。Snp Expert則是目前業界最好的S參數處理軟件，不僅能夠根據導入的S參數快速生成各類曲線，還集成了大量國際規范標準，便于仿真人員判斷仿真結果的可用性。 最為難得的是芯禾是一家研發完全在國內的EDA公司，相比于EDA領域的國際大廠，芯禾能夠更迅速地響應國內各類廠家在高速信號仿真領域的需求。從2013年首次使用芯禾的軟件到現在，筆者切切實實地感受到了芯禾Expert系列軟件的巨大進步。這種進步反過來又幫助了高速信號的仿真人員，不僅提高了仿真效率，更使得仿真人員能夠將精力集中在系統設計和優化方面，而不是為各種建模而傷透腦筋。 隨著以太網設備端口容量從100GbE向著400GbE、甚至1TbE演進，人們對高效、好用的EDA仿真工具提出了更多的需求。期待芯禾開發的EDA軟件功能更加強大，在高速設計領域獨領風騷。 |
