一些廣為人知的技術(shù)和大受歡迎的產(chǎn)品是如何誕生的？當(dāng)然，在此過程中要克服硬件和軟件方面的工程挑戰(zhàn)，而仿真是設(shè)計成型之前和之后的重要工具，用于確保設(shè)計質(zhì)量符合要求。仿真驅(qū)動型設(shè)計流程的目的是在設(shè)計前端利用仿真功能，確保新設(shè)計能夠正常運行。

先進電子產(chǎn)品的仿真驅(qū)動型設(shè)計涉及哪些流程？電子產(chǎn)品的復(fù)雜程度遠遠超過電路，這意味著必須在多個層面上進行仿真驅(qū)動的設(shè)計，才能更好地了解產(chǎn)品的運行是否可靠。通過仿真，設(shè)計人員能夠從多個層面審查系統(tǒng)，同時只關(guān)注某些性能方面。采用針對特定領(lǐng)域的方法，可以關(guān)注原型驗證和測試過程中無法觸及的特定性能特征和設(shè)計因素。

企業(yè)的仿真驅(qū)動型設(shè)計流程

仿真驅(qū)動型設(shè)計和工程實際上非常普遍，是開發(fā)許多復(fù)雜系統(tǒng)不可或缺的一個環(huán)節(jié)。仿真驅(qū)動型設(shè)計有許多目標，但最重要的目標之一是在批量生產(chǎn)前，驗證新設(shè)計及其預(yù)期原型的質(zhì)量是否符合要求。如果省去制造原型這一步，就可以節(jié)約成本，加快產(chǎn)品上市。部署仿真和分析軟件需要預(yù)先投入資金，但這種投資的回報非常可觀，能夠提升企業(yè)的競爭力，節(jié)約成本。

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仿真的對象

下面我們看一看電子產(chǎn)品仿真和分析的具體應(yīng)用領(lǐng)域有哪些。如今，許多公司都在系統(tǒng)層面開展業(yè)務(wù)，其開發(fā)活動涵蓋從芯片到整個組件和系統(tǒng)在內(nèi)的各個方面。下文列出的仿真活動涉及產(chǎn)品的各個層面——從單個芯片/封裝到整個組裝。

在進行仿真驅(qū)動型設(shè)計時，需要使用數(shù)值求解器對上述各個方面進行檢查。通常在設(shè)計階段的不同時間點分別處理上述問題，但也可以通過“仿真-分析-設(shè)計-重復(fù)”這一迭代流程進行處理，具體步驟如下。

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仿真-分析-設(shè)計-重復(fù)

仿真驅(qū)動型設(shè)計是一個迭代過程，因為通常情況下，評估或研究設(shè)計是實驗的一部分。有時我們無法了解特定電路或組件在實際使用時的運行狀況，因此仿真就成了迭代優(yōu)化部分設(shè)計并達到性能目標的唯一方法。仿真驅(qū)動型設(shè)計中的優(yōu)化概念是整個流程的核心。

仿真驅(qū)動型設(shè)計流程概述如下。首先需要在數(shù)值求解器中進行鑒定和評估設(shè)計成品。通常情況下，在仿真中需要檢查和鑒定一些性能目標，依據(jù)是一些更廣泛的最終產(chǎn)品性能指標。此時，通常可以參考在設(shè)計階段初期收集的工程需求，以描述性能目標并作為比較的基礎(chǔ)。

仿真驅(qū)動型設(shè)計流程依托一個簡單的迭代概念，我們將在下文進行探討。也許 RF 工程師和高速設(shè)計數(shù)字工程師最熟悉這一流程，但這一理念同樣適用于系統(tǒng)層面的設(shè)計。該流程適用于上表中的每個方面，可以幫助我們更好地了解系統(tǒng)行為和可靠性。最終，通過這個迭代過程，系統(tǒng)設(shè)計人員可以找到兼顧性能、成本、可靠性和可制造性的最佳設(shè)計。

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邏輯和原理圖

對于電子系統(tǒng)來說，原理圖是仿真驅(qū)動型設(shè)計的起點。原理圖是創(chuàng)建電路的藍圖，隨后將原理圖應(yīng)用于 PCB 或組裝中，進行元件擺放和設(shè)計物理 layout。原理圖顯示了最終組裝中的電氣連接，非常適合專門針對邏輯執(zhí)行仿真驅(qū)動型設(shè)計流程。

在系統(tǒng)層面，原理圖中使用的主要仿真類型包括：

電路（通常為模擬電路）的 SPICE 仿真

復(fù)雜數(shù)字電路的邏輯仿真

使用 IBIS 模型進行信號完整性仿真

使用網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（通常為 S 參數(shù)）進行信號完整性仿真

使用 SPICE 或 IBIS 建模進行的原理圖仿真屬于電氣仿真，因此需要使用電氣模型來更好地了解某些器件在規(guī)模更大的系統(tǒng)中的運行情況。這是前端設(shè)計和工程設(shè)計中的重要一環(huán)，將為系統(tǒng)設(shè)計人員提供所需的 S 參數(shù)模型，用于仿真系統(tǒng)中使用的重要器件的行為。

以下面的仿真項目為例。要想在系統(tǒng)層面運行，意味著每個器件都對應(yīng)一個電氣模型，用于描述信號傳播。實際上，這些模型將輸入映射到輸出。

在 Cadence AWR 平臺中沿互連進行的系統(tǒng)級相位噪聲仿真。

前端仿真中的電氣模型必須通過器件級仿真或直接測量來確定。對于許多 RF 器件（放大器、濾波器等），其電氣模型由元件供應(yīng)商提供，也可以使用某些測試設(shè)備進行測量。

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PCB 仿真

可以采用多種方法對 PCB 進行仿真以評估其性能和/或可靠性。在不同的環(huán)境中需要部署不同的器件，PCB 上每個子系統(tǒng)的性能或可靠性需求也許不需要單獨進行深層次的評估。在 PCB 上，需要從三個主要方面入手，以評估仿真的電氣性能：

設(shè)計中的特定子系統(tǒng)是否能滿足運行需求

Layout 中的電氣性能是否偏離邏輯仿真結(jié)果，偏離程度如何

確定 Layout 的哪些部分需要進行更詳細的仿真以了解其行為

由于 PCB layout 非常復(fù)雜，需要使用數(shù)值場求解器對這些系統(tǒng)進行仿真。利用場求解器，可以在附近存在一組復(fù)雜器件的情況下對設(shè)計中的信號行為進行建模。由于存在器件、其他導(dǎo)體、特定材料和組裝中的其他物理對象，PCB layout 中的信號行為將偏離原理圖中仿真的理想行為。

在仿真驅(qū)動型設(shè)計中，可以將 PCB 劃分為幾個特定的部分，分別進行仿真，這種做法非常有用，并且更有針對性，可以對特定的設(shè)計選擇進行評估和鑒定。通常，需要進行仿真的特定子系統(tǒng)包括電源分配網(wǎng)絡(luò) (PDN)、高速通道和連接器接口、天線等 RF 器件以及用于驗證損耗/阻抗的傳輸線設(shè)計。

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芯片和封裝

除 PCB 外，系統(tǒng)分析中還經(jīng)常需要對一些單個器件進行仿真。同樣，也要對半導(dǎo)體及其封裝進行電熱評估。通常在簽核前的設(shè)計階段對半導(dǎo)體器件進行仿真和分析。對于（SoC/模塊的）封裝和相關(guān)器件在 PCB 中的擺放位置，也需要進行信號完整性、熱行為和機械行為仿真。

器件及其封裝的熱仿真結(jié)果示例。

那么，對于 PCB 中的芯片/封裝，該如何進行熱仿真？PCB 是一個電氣系統(tǒng)，而所有電氣系統(tǒng)都會產(chǎn)生一些熱量，因此不能孤立地分析 PCB 的熱特性。相反，在設(shè)計中必須考慮熱特性和電氣特性之間的相互作用。

大多數(shù)熱分析常局限在機械或系統(tǒng)層面進行，難以準確仿真電子影響或發(fā)現(xiàn)潛在問題，導(dǎo)致團隊苦于晚期設(shè)計修改與迭代，影響項目時程。

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組裝層面的仿真

在設(shè)計階段結(jié)束時進行組裝級仿真，此時整個組裝設(shè)計已經(jīng)完成，可以進行全面評估。此類仿真通常圍繞可靠性和熱行為進行，也可能涉及 EMI/RF 規(guī)范。具體項目總結(jié)于下表中。

在仿真驅(qū)動型設(shè)計流程的設(shè)計階段，除非出現(xiàn)災(zāi)難性故障，否則通常不會對整個系統(tǒng)進行大范圍的重新設(shè)計。例如，熱沖擊或機械沖擊可能導(dǎo)致特定器件失效（如焊球斷裂），這也是導(dǎo)致設(shè)計變更的原因之一。在這種情況下，可以將失效器件換成其他封裝。

與重新設(shè)計整個 PCB 相比，采用另外一些策略可能更為合適，如組裝級或外殼級設(shè)計變更。這樣做可以降低成本，或者可以縮短糾正可靠性問題所需的重新設(shè)計時間。例如，當(dāng)發(fā)現(xiàn)冷卻措施不充分時，可以更改機箱設(shè)計，使機箱內(nèi)有更多的氣流或增加熱傳遞。在這種情況下，對 PCB 或器件本身進行基于可靠性的設(shè)計變更成本太高。

可以通過 CFD 仿真來追蹤整個機箱內(nèi)的氣流，并預(yù)測組裝內(nèi)的平衡溫度。

由于這些仿真可能非常復(fù)雜，需要借助一套得心應(yīng)手的仿真工具。這些系統(tǒng)通常作為多物理場問題進行仿真，以便了解不同領(lǐng)域的物理行為之間的耦合。雖然這些工具可能很復(fù)雜，但 EDA 供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)可以幫助用戶在設(shè)計工具和仿真器之間快速切換，從而實現(xiàn)理想的仿真驅(qū)動型設(shè)計流程。

利用 Cadence 的全套系統(tǒng)分析工具，先進電子產(chǎn)品的設(shè)計團隊可以更快地將質(zhì)量更出色的產(chǎn)品推向市場。那么，究竟什么是系統(tǒng)設(shè)計？Cadence 為何倡導(dǎo)創(chuàng)新系統(tǒng)設(shè)計？創(chuàng)新系統(tǒng)設(shè)計在消費電子、5G、云端、汽車等領(lǐng)域又有怎樣的應(yīng)用？