隨著網(wǎng)絡(luò)設(shè)備帶寬的增加，PCB設(shè)計(jì)越來(lái)越精細(xì)化，設(shè)計(jì)師面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)也越來(lái)越多：

如何快速創(chuàng)建過(guò)孔、傳輸線、連接器等互連結(jié)構(gòu)的3D模型來(lái)優(yōu)化仿真？

高密度布線引入了串?dāng)_問(wèn)題，如何實(shí)現(xiàn)快速評(píng)估PCB全板串?dāng)_？

為滿足低功耗的性能需求，芯片工作電壓越來(lái)越低，如何在低工作電壓、低噪聲裕量條件下滿足電源完整性要求？

在高帶寬設(shè)備中，PAM4編碼越來(lái)越普及，PAM4編碼對(duì)通道的要求極其嚴(yán)苛，頻域和時(shí)域指標(biāo)更加豐富，如何實(shí)現(xiàn)快速全面的進(jìn)行通道分析？

市場(chǎng)概況

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是指構(gòu)建整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所需的各種數(shù)據(jù)傳輸、交換及路由設(shè)備，主要包括交換機(jī)、路由器、無(wú)線接入點(diǎn)和光纜等。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，作為硬件基礎(chǔ)設(shè)施體系支撐大數(shù)據(jù)、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的上層應(yīng)用。近年來(lái)我國(guó)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且增速高于全球市場(chǎng)。根據(jù)IDC數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年以來(lái)，我國(guó)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模平穩(wěn)增張，2020年計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模為87.9億美元。 目前，交換機(jī)和路由器仍是我國(guó)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備市場(chǎng)主要組成部分，據(jù)IDC統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2019年，我國(guó)交換機(jī)市場(chǎng)規(guī)模為40.1億美元，占計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備總市場(chǎng)規(guī)模的47.2%;路由器市場(chǎng)規(guī)模為36.4億美元，占計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備總市場(chǎng)規(guī)模的42.9%。 經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，國(guó)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局已較為穩(wěn)定，主要企業(yè)包括思科、Arista、華為、新華三、中興通訊等企業(yè)。 以太網(wǎng)交換機(jī)和路由器系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備帶寬的提升引入復(fù)雜的電磁環(huán)境

5G加速商用，同時(shí)伴隨著云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的深入發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)了數(shù)字化進(jìn)程與萬(wàn)物互聯(lián)的社會(huì)雛形出現(xiàn)。在萬(wàn)物互聯(lián)的世界里，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模在迅速擴(kuò)張，多樣化的數(shù)字化應(yīng)用帶來(lái)了數(shù)據(jù)洪流。各大網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計(jì)和制造廠商想方設(shè)法提高信道帶寬來(lái)實(shí)現(xiàn)從200G、400G到800G的擴(kuò)容。單通道信道的速率從25Gbps向56Gbps、112Gbps演進(jìn)，維護(hù)信號(hào)完整性變得越來(lái)越困難，任何一個(gè)優(yōu)化細(xì)節(jié)都不能放過(guò)，過(guò)孔、傳輸線、線纜、耦合電容等無(wú)源結(jié)構(gòu)都需要花費(fèi)大量的時(shí)間去仿真優(yōu)化。

2 高密度布線帶來(lái)嚴(yán)重的串?dāng)_問(wèn)題

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)品中，背板的應(yīng)用非常普及，為了解決端口速率提升與背板損耗增加的矛盾，越來(lái)越多的廠商在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中采用正交架構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)背板，正交架構(gòu)大大縮短了線卡與交換網(wǎng)卡之間的傳輸線距離，也有部分廠商引入了無(wú)背板的正交直連架構(gòu)，采用線纜替代背板互連?；ミB結(jié)構(gòu)的多樣性導(dǎo)致通道間的耦合更加復(fù)雜，如何快速精確對(duì)整板做全面的串?dāng)_分析是當(dāng)前信號(hào)完整性仿真分析工作中面臨的一大難題。

3 芯片工作電壓種類多且噪聲裕量低境

當(dāng)前產(chǎn)品不斷向低耗電發(fā)展的趨勢(shì)促使高性能IC采用多電壓幅值，且有些工作非常低。由于更低的工作電壓，噪聲裕量都非常小，這就需要在PCB上建立許多電源供應(yīng)結(jié)構(gòu)，也需要非常純凈的電源。電源種類的增加和噪聲裕量的減小都會(huì)給系統(tǒng)電源完整性帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

4 加工偏差、工作環(huán)境的變化

常見(jiàn)加工偏差：傳輸線的層偏、孔偏、粗化、蝕刻、壓合、流膠等，這些偏差會(huì)造成信號(hào)通道的損耗增大，噪聲增加，最終可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗。另外，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的工作環(huán)境復(fù)雜多樣，溫度和濕度的變化也會(huì)導(dǎo)致板材參數(shù)的變化，從而導(dǎo)致產(chǎn)品性能發(fā)生偏移，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真。優(yōu)秀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要綜合考慮各類偏差的影響，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法分析通道的均值、最優(yōu)值和最差值。 綜上所述，在以太網(wǎng)交換機(jī)和路由器產(chǎn)品設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)師會(huì)面臨帶寬提升引入的復(fù)雜電磁場(chǎng)問(wèn)題，高密度布線帶來(lái)嚴(yán)重的串?dāng)_噪聲問(wèn)題，芯片工作電壓種類多且噪聲裕量較低的問(wèn)題，以及加工偏差和工作環(huán)境變化導(dǎo)致信號(hào)失真的問(wèn)題。接下來(lái)，我們將為您介紹芯和以太網(wǎng)交換機(jī)和路由器系統(tǒng)電磁仿真解決方案是如何應(yīng)對(duì)上述難題的。 芯和半導(dǎo)體以太網(wǎng)交換機(jī)和路由器系統(tǒng) 電磁仿真解決方案

一、豐富多樣的三維組件建模仿真

1 高速鏈路中過(guò)孔快速建模與分析

隨著網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的接口速率向56Gbps、112Gbps演進(jìn)，信號(hào)對(duì)鏈路中阻抗不連續(xù)的位置變得越來(lái)越敏感，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)也需要做的越來(lái)越仔細(xì)。鏈路中常見(jiàn)的阻抗不連續(xù)位置有換層孔、BGA Fanout、背板連接器Fanout、金手指連接器Fanout、AC耦合電容Fanout等，在產(chǎn)品預(yù)研階段、設(shè)計(jì)前期，信號(hào)完整性工程師都需要對(duì)這些結(jié)構(gòu)的Fanout過(guò)孔做詳細(xì)的建模和分析，過(guò)孔分析時(shí)需要考慮的三個(gè)方面：

一是過(guò)孔的殘樁（Stub）長(zhǎng)度

二是過(guò)孔的大小和位置等參數(shù)

三是回流地孔的數(shù)量和位置

芯和半導(dǎo)體的ViaExpert工具完美地將上述考慮因素和建模流程結(jié)合在一起，并充分發(fā)揮了ViaExpert集成了大量模板的優(yōu)勢(shì)。如下圖，用戶可以直接調(diào)用模板修改幾何參數(shù)，就可以隨意創(chuàng)建Fanout過(guò)孔三維模型，而且可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求將優(yōu)化項(xiàng)設(shè)置為變量進(jìn)行參數(shù)掃描分析。

2 高速鏈路中傳輸線快速建模與分析

高速鏈路設(shè)計(jì)中，控制傳輸線的特性阻抗是保證信號(hào)完整性的基本要求。常用的傳輸線有微帶線、帶狀線和共面波導(dǎo)等，此類傳輸線的阻抗計(jì)算有很多工具都可以實(shí)現(xiàn)，比如Polar SI9000、ADS等，但是在以太網(wǎng)交換機(jī)和路由器產(chǎn)品中，僅僅滿足普通傳輸線的阻抗設(shè)計(jì)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，隨著信號(hào)速率的提升，因?yàn)榭刂撇罘謱?duì)內(nèi)和對(duì)間的等長(zhǎng)而出現(xiàn)的蛇形走線也需要進(jìn)行3D建模分析，通過(guò)仿真進(jìn)一步分析怎樣的蛇形線既能滿足等長(zhǎng)要求，還能獲得最好的傳輸性能。 玻纖效應(yīng)對(duì)信號(hào)完整性工程師來(lái)講是一個(gè)再熟悉不過(guò)的名詞，玻纖效應(yīng)——PCB介質(zhì)層是由環(huán)氧樹(shù)脂與增強(qiáng)材料玻纖布構(gòu)成，玻纖布經(jīng)紗與緯紗交織的間隙導(dǎo)致介質(zhì)層相對(duì)介電常數(shù)局部變化的現(xiàn)象稱為玻纖效應(yīng)。該效應(yīng)對(duì)高速信號(hào)產(chǎn)生的影響主要體現(xiàn)在傳輸線阻抗波動(dòng)和差分Skew兩個(gè)方面。對(duì)玻纖效應(yīng)進(jìn)行建模分析也是以太網(wǎng)交換機(jī)和路由器產(chǎn)品再預(yù)研階段必不可少的環(huán)節(jié)。 芯和半導(dǎo)體的TmlExpert工具可以協(xié)助工程師不僅完成普通傳輸線的阻抗設(shè)計(jì)和損耗評(píng)估，還可以用來(lái)做蛇形線、玻纖效應(yīng)的建模分析。

3 基于實(shí)際版圖文件導(dǎo)入建模和仿真分析

在PCB版圖畫好以后，通常會(huì)將導(dǎo)入版圖導(dǎo)入EDA軟件進(jìn)行建模仿真，這種方式的仿真場(chǎng)景會(huì)更加符合信號(hào)的實(shí)際工作場(chǎng)景，有時(shí)候?yàn)榱说玫礁诱鎸?shí)的評(píng)估結(jié)果，還會(huì)將封裝版圖和PCB版圖導(dǎo)入到一款工具中做聯(lián)合建模和電磁場(chǎng)求解，如此復(fù)雜的仿真結(jié)構(gòu)，必須采用全三維仿真引擎來(lái)計(jì)算才能模擬出精確的結(jié)果。 芯和推出的3D電磁場(chǎng)求解工具Hermes 3D可兼容市面上大多數(shù)版圖文件格式導(dǎo)入，且集成FEM3D求解引擎，工程師可以輕松仿真封裝版圖、PCB版圖或者封裝和PCB疊加的版圖，仿真完成之后，通過(guò)S參數(shù)和電磁場(chǎng)分布云圖來(lái)分析信號(hào)的質(zhì)量。

二、高密度布線所引入的串?dāng)_噪聲分析

由于高速PCB的高數(shù)據(jù)速率和緊密耦合布線，串?dāng)_分析在高速PCB設(shè)計(jì)中變得越來(lái)越重要。傳統(tǒng)的基于電路的分析方法不能滿足精度要求，三維（3D）全波電磁求解器需要捕獲復(fù)雜的三維PCB電磁環(huán)境，然而，仿真實(shí)際大規(guī)模PCB板子，時(shí)間成本和硬件資源成本都是非常昂貴的，而且所得到的s參數(shù)不能直接用于量化串?dāng)_水平。在這種背景下，工程師需要一種全新的求解技術(shù)，能夠平衡仿真精度和仿真效率，能夠在幾個(gè)小時(shí)時(shí)間內(nèi)得到串?dāng)_評(píng)估結(jié)果。 芯和半導(dǎo)體的Heracles工具提供了一種新的混合求解技術(shù)，提高了求解速度和精度。再利用s參數(shù)后處理開(kāi)發(fā)了用于量化串?dāng)_水平的新的串?dāng)_度量標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合這兩種技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)使用該工具實(shí)現(xiàn)全板串?dāng)_掃描和量化，這大大減少了投板前的審查時(shí)間，使得工程師可以及時(shí)優(yōu)化布局布線。

三、電源完整性解決方案

低壓低功耗應(yīng)用日益普及，芯片工作所要求的電源噪聲裕量隨之減小，PCB設(shè)計(jì)時(shí)保證潔凈的工作電壓也是PCB設(shè)計(jì)時(shí)的重要工作。 芯和半導(dǎo)體的Hermes PSI工具是一款可以做電源完整性分析、信號(hào)與電源協(xié)同分析、電熱協(xié)同分析的仿真平臺(tái)。用戶在這款工具中可以導(dǎo)入板級(jí)和封裝設(shè)計(jì)文件，實(shí)現(xiàn)Die到電源模塊端到端的電源完整性頻域AC阻抗分析、DC壓降分析、時(shí)域紋波噪聲分析。Hermes PSI為設(shè)計(jì)者提供最具競(jìng)爭(zhēng)力的電源完整性解決方案。

四、通道分析解決方案

通道分析是信號(hào)完整性分析的終極大招，產(chǎn)品設(shè)計(jì)者使用電磁場(chǎng)仿真工具提取了所有無(wú)源通道的S參數(shù)，接下來(lái)需要做全鏈路的無(wú)源評(píng)估，評(píng)估的指標(biāo)多種多樣，一般包括IL、RL、NEXT、FEXT、SCD、ILfited、ILD、ICN、COM等指標(biāo)，但是很多無(wú)源指標(biāo)需要編輯復(fù)雜的計(jì)算公式，這要求使用者有一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和寫代碼的能力。 芯和半導(dǎo)體的ChannelExpert集成了所有無(wú)源指標(biāo)的算法和種類豐富的協(xié)議規(guī)范，省去工程師寫代碼和編輯公式的時(shí)間，用戶可以直接做全面的無(wú)源分析，另外，ChannelExpert在做無(wú)源分析時(shí)還可以讓用戶設(shè)置參數(shù)化掃描，用來(lái)評(píng)估加工工藝偏差和工作環(huán)境的變化所帶來(lái)的影響。

此外，ChannelExpert還內(nèi)嵌了時(shí)域仿真器，可以便捷的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境的IBIS-AMI模型仿真。

總結(jié)

本文介紹了以太網(wǎng)路由器和交換機(jī)產(chǎn)品高速互連設(shè)計(jì)中面臨的多種挑戰(zhàn)，即帶寬提升引入的復(fù)雜電磁場(chǎng)問(wèn)題，高密度布線帶來(lái)嚴(yán)重的串?dāng)_噪聲問(wèn)題，芯片工作電壓種類多且噪聲裕量低的問(wèn)題，加工偏差和工作環(huán)境變化導(dǎo)致信號(hào)失真的問(wèn)題。芯和半導(dǎo)體針對(duì)這些挑戰(zhàn)，提出了高效的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備高速互連仿真解決方案，設(shè)計(jì)者可以輕松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多樣的三維組件建模仿真、全板串?dāng)_快速掃描和定量分析、電源完整性仿真優(yōu)化、高速串行通道仿真優(yōu)化等應(yīng)用，幫助設(shè)計(jì)者降低了設(shè)計(jì)冗余，規(guī)避潛在風(fēng)險(xiǎn)，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

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