隨著網(wǎng)絡設備帶寬的增加，PCB設計越來越精細化，設計師面臨的設計挑戰(zhàn)也越來越多：

如何快速創(chuàng)建過孔、傳輸線、連接器等互連結構的3D模型來優(yōu)化仿真？

高密度布線引入了串擾問題，如何實現(xiàn)快速評估PCB全板串擾？

為滿足低功耗的性能需求，芯片工作電壓越來越低，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？

在高帶寬設備中，PAM4編碼越來越普及，PAM4編碼對通道的要求極其嚴苛，頻域和時域指標更加豐富，如何實現(xiàn)快速全面的進行通道分析？

市場概況

網(wǎng)絡設備是指構建整個網(wǎng)絡所需的各種數(shù)據(jù)傳輸、交換及路由設備，主要包括交換機、路由器、無線接入點和光纜等。網(wǎng)絡設備是新型基礎設施建設的重要組成部分，作為硬件基礎設施體系支撐大數(shù)據(jù)、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領域的上層應用。近年來我國網(wǎng)絡設備市場規(guī)模整體呈增長趨勢，且增速高于全球市場。根據(jù)IDC數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2017年以來，我國計算機網(wǎng)絡設備市場規(guī)模平穩(wěn)增張，2020年計算機網(wǎng)絡設備市場規(guī)模為87.9億美元。 目前，交換機和路由器仍是我國計算機網(wǎng)絡設備市場主要組成部分，據(jù)IDC統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2019年，我國交換機市場規(guī)模為40.1億美元，占計算機網(wǎng)絡設備總市場規(guī)模的47.2%;路由器市場規(guī)模為36.4億美元，占計算機網(wǎng)絡設備總市場規(guī)模的42.9%。 經(jīng)過多年發(fā)展，國內網(wǎng)絡設備行業(yè)競爭格局已較為穩(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)交換機和路由器系統(tǒng)設計挑戰(zhàn)

1 網(wǎng)絡設備帶寬的提升引入復雜的電磁環(huán)境

5G加速商用，同時伴隨著云計算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興技術的深入發(fā)展，進一步推動了數(shù)字化進程與萬物互聯(lián)的社會雛形出現(xiàn)。在萬物互聯(lián)的世界里，網(wǎng)絡規(guī)模在迅速擴張，多樣化的數(shù)字化應用帶來了數(shù)據(jù)洪流。各大網(wǎng)絡設備設計和制造廠商想方設法提高信道帶寬來實現(xiàn)從200G、400G到800G的擴容。單通道信道的速率從25Gbps向56Gbps、112Gbps演進，維護信號完整性變得越來越困難，任何一個優(yōu)化細節(jié)都不能放過，過孔、傳輸線、線纜、耦合電容等無源結構都需要花費大量的時間去仿真優(yōu)化。

2 高密度布線帶來嚴重的串擾問題

在網(wǎng)絡設備產(chǎn)品中，背板的應用非常普及，為了解決端口速率提升與背板損耗增加的矛盾，越來越多的廠商在網(wǎng)絡設備中采用正交架構，相對于傳統(tǒng)背板，正交架構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背板的正交直連架構，采用線纜替代背板互連?；ミB結構的多樣性導致通道間的耦合更加復雜，如何快速精確對整板做全面的串擾分析是當前信號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

當前產(chǎn)品不斷向低耗電發(fā)展的趨勢促使高性能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結構，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給系統(tǒng)電源完整性帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。

4 加工偏差、工作環(huán)境的變化

常見加工偏差：傳輸線的層偏、孔偏、粗化、蝕刻、壓合、流膠等，這些偏差會造成信號通道的損耗增大，噪聲增加，最終可能導致設計失敗。另外，網(wǎng)絡設備的工作環(huán)境復雜多樣，溫度和濕度的變化也會導致板材參數(shù)的變化，從而導致產(chǎn)品性能發(fā)生偏移，嚴重時會導致信號失真。優(yōu)秀的系統(tǒng)設計需要綜合考慮各類偏差的影響，采用統(tǒng)計學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)交換機和路由器產(chǎn)品設計中設計師會面臨帶寬提升引入的復雜電磁場問題，高密度布線帶來嚴重的串擾噪聲問題，芯片工作電壓種類多且噪聲裕量較低的問題，以及加工偏差和工作環(huán)境變化導致信號失真的問題。接下來，我們將為您介紹芯和以太網(wǎng)交換機和路由器系統(tǒng)電磁仿真解決方案是如何應對上述難題的。 芯和半導體以太網(wǎng)交換機和路由器系統(tǒng) 電磁仿真解決方案

一、豐富多樣的三維組件建模仿真

1 高速鏈路中過孔快速建模與分析

隨著網(wǎng)絡設備中的接口速率向56Gbps、112Gbps演進，信號對鏈路中阻抗不連續(xù)的位置變得越來越敏感，設計師在設計時也需要做的越來越仔細。鏈路中常見的阻抗不連續(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)品預研階段、設計前期，信號完整性工程師都需要對這些結構的Fanout過孔做詳細的建模和分析，過孔分析時需要考慮的三個方面：

一是過孔的殘樁（Stub）長度

二是過孔的大小和位置等參數(shù)

三是回流地孔的數(shù)量和位置

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

2 高速鏈路中傳輸線快速建模與分析

高速鏈路設計中，控制傳輸線的特性阻抗是保證信號完整性的基本要求。常用的傳輸線有微帶線、帶狀線和共面波導等，此類傳輸線的阻抗計算有很多工具都可以實現(xiàn)，比如Polar SI9000、ADS等，但是在以太網(wǎng)交換機和路由器產(chǎn)品中，僅僅滿足普通傳輸線的阻抗設計還遠遠不夠，隨著信號速率的提升，因為控制差分對內和對間的等長而出現(xiàn)的蛇形走線也需要進行3D建模分析，通過仿真進一步分析怎樣的蛇形線既能滿足等長要求，還能獲得最好的傳輸性能。 玻纖效應對信號完整性工程師來講是一個再熟悉不過的名詞，玻纖效應——PCB介質層是由環(huán)氧樹脂與增強材料玻纖布構成，玻纖布經(jīng)紗與緯紗交織的間隙導致介質層相對介電常數(shù)局部變化的現(xiàn)象稱為玻纖效應。該效應對高速信號產(chǎn)生的影響主要體現(xiàn)在傳輸線阻抗波動和差分Skew兩個方面。對玻纖效應進行建模分析也是以太網(wǎng)交換機和路由器產(chǎn)品再預研階段必不可少的環(huán)節(jié)。 芯和半導體的TmlExpert工具可以協(xié)助工程師不僅完成普通傳輸線的阻抗設計和損耗評估，還可以用來做蛇形線、玻纖效應的建模分析。

3 基于實際版圖文件導入建模和仿真分析

在PCB版圖畫好以后，通常會將導入版圖導入EDA軟件進行建模仿真，這種方式的仿真場景會更加符合信號的實際工作場景，有時候為了得到更加真實的評估結果，還會將封裝版圖和PCB版圖導入到一款工具中做聯(lián)合建模和電磁場求解，如此復雜的仿真結構，必須采用全三維仿真引擎來計算才能模擬出精確的結果。 芯和推出的3D電磁場求解工具Hermes 3D可兼容市面上大多數(shù)版圖文件格式導入，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S參數(shù)和電磁場分布云圖來分析信號的質量。

二、高密度布線所引入的串擾噪聲分析

由于高速PCB的高數(shù)據(jù)速率和緊密耦合布線，串擾分析在高速PCB設計中變得越來越重要。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雜的三維PCB電磁環(huán)境，然而，仿真實際大規(guī)模PCB板子，時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擾水平。在這種背景下，工程師需要一種全新的求解技術，能夠平衡仿真精度和仿真效率，能夠在幾個小時時間內得到串擾評估結果。 芯和半導體的Heracles工具提供了一種新的混合求解技術，提高了求解速度和精度。再利用s參數(shù)后處理開發(fā)了用于量化串擾水平的新的串擾度量標準。結合這兩種技術，設計人員可以在幾個小時內使用該工具實現(xiàn)全板串擾掃描和量化，這大大減少了投板前的審查時間，使得工程師可以及時優(yōu)化布局布線。

三、電源完整性解決方案

低壓低功耗應用日益普及，芯片工作所要求的電源噪聲裕量隨之減小，PCB設計時保證潔凈的工作電壓也是PCB設計時的重要工作。 芯和半導體的Hermes PSI工具是一款可以做電源完整性分析、信號與電源協(xié)同分析、電熱協(xié)同分析的仿真平臺。用戶在這款工具中可以導入板級和封裝設計文件，實現(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、時域紋波噪聲分析。Hermes PSI為設計者提供最具競爭力的電源完整性解決方案。

四、通道分析解決方案

通道分析是信號完整性分析的終極大招，產(chǎn)品設計者使用電磁場仿真工具提取了所有無源通道的S參數(shù)，接下來需要做全鏈路的無源評估，評估的指標多種多樣，一般包括IL、RL、NEXT、FEXT、SCD、ILfited、ILD、ICN、COM等指標，但是很多無源指標需要編輯復雜的計算公式，這要求使用者有一定的數(shù)學基礎和寫代碼的能力。 芯和半導體的ChannelExpert集成了所有無源指標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間，用戶可以直接做全面的無源分析，另外，ChannelExpert在做無源分析時還可以讓用戶設置參數(shù)化掃描，用來評估加工工藝偏差和工作環(huán)境的變化所帶來的影響。

此外，ChannelExpert還內嵌了時域仿真器，可以便捷的實現(xiàn)復雜環(huán)境的IBIS-AMI模型仿真。

總結

本文介紹了以太網(wǎng)路由器和交換機產(chǎn)品高速互連設計中面臨的多種挑戰(zhàn)，即帶寬提升引入的復雜電磁場問題，高密度布線帶來嚴重的串擾噪聲問題，芯片工作電壓種類多且噪聲裕量低的問題，加工偏差和工作環(huán)境變化導致信號失真的問題。芯和半導體針對這些挑戰(zhàn)，提出了高效的網(wǎng)絡設備高速互連仿真解決方案，設計者可以輕松實現(xiàn)復雜多樣的三維組件建模仿真、全板串擾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)化等應用，幫助設計者降低了設計冗余，規(guī)避潛在風險，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。

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