使用芯禾Expert系列軟件實(shí)現(xiàn)高速鏈路仿真

對(duì)高速Serdes鏈路各個(gè)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(gè)部分的模型搭建起來(lái)，從而仿真整條鏈路的電氣性能。

與Via Expert一樣，在Channel Expert中針對(duì)不同的通道鏈路類(lèi)型，也開(kāi)發(fā)了對(duì)應(yīng)的通道建模Template。如圖13所示，在Add Channel by Template菜單下有四種類(lèi)型的通道鏈路建模Template。對(duì)于單板內(nèi)部芯片與芯片之間互連的高速鏈路，可以選用Chip to Chip Template;對(duì)于傳統(tǒng)背板鏈路，可以選用Traditional Backplane Template;對(duì)于正交直連的背板鏈路，可以選用Orthogonal Direct Backplane Template;對(duì)于帶中置背板的正交背板鏈路，可以選用Orthogonal Mid-Plane Backplane Template。

針對(duì)本文中的傳統(tǒng)背板鏈路，選擇Traditional Backplane Template后，就會(huì)彈出圖14所示的傳統(tǒng)背板鏈路拓?fù)浯罱ㄏ驅(qū)Ы缑妗８鶕?jù)圖14界面例圖中的數(shù)字標(biāo)號(hào)，用戶(hù)在界面下半部分從左往右依次設(shè)置單板上的過(guò)孔模型、走線(xiàn)模型、連接器通孔模型、連接器模型等。

對(duì)于鏈路不同部位的過(guò)孔模型、連接器通孔模型、連接器模型，通過(guò)圖14界面下半部分各個(gè)Via欄中的Add命令，將前面幾個(gè)步驟中仿真得到的S參數(shù)文件依次導(dǎo)入。在導(dǎo)入S參數(shù)文件的時(shí)候，用戶(hù)還可以根據(jù)導(dǎo)入界面上的設(shè)置項(xiàng)對(duì)S參數(shù)端口順序進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于鏈路不同部位的傳輸線(xiàn)模型，在圖14界面下半部分各個(gè)Trace欄中可以設(shè)置該傳輸線(xiàn)對(duì)應(yīng)的疊層、線(xiàn)寬、間距、長(zhǎng)度等參數(shù)。傳輸線(xiàn)模型可以是一對(duì)差分線(xiàn)，也可以是多對(duì)差分線(xiàn)。用戶(hù)不僅可以設(shè)置傳輸線(xiàn)所在介質(zhì)的介電常數(shù)和損耗角，還可以設(shè)置銅箔的粗糙度。

圖13 Channel Expert中通道建模Template

圖14 傳統(tǒng)背板鏈路拓?fù)浯罱ㄏ驅(qū)?/p>

完成各種參數(shù)設(shè)置之后，點(diǎn)擊圖14界面上的OK按鈕，就會(huì)在Channel Expert主界面該工程項(xiàng)目下自動(dòng)建出圖15所示的傳統(tǒng)背板系統(tǒng)一對(duì)差分鏈路的仿真拓?fù)?，或者?lèi)似于圖16所示的多對(duì)差分鏈路的仿真拓?fù)?。在圖14界面中設(shè)置的各種孔的S參數(shù)文件、傳輸線(xiàn)的仿真參數(shù)都會(huì)自動(dòng)帶到圖15和圖16鏈路各個(gè)部分中去。用戶(hù)只需要設(shè)置一下仿真的頻段，點(diǎn)擊仿真按鈕后，就可以得到整個(gè)鏈路的頻域仿真結(jié)果。仿真結(jié)束之后，Channel Expert會(huì)自動(dòng)地調(diào)用Snp Expert，將仿真得到的S參數(shù)文件自動(dòng)導(dǎo)入Snp Expert中，讓用戶(hù)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和后處理工作。

圖15 一對(duì)差分傳統(tǒng)背板鏈路仿真拓?fù)?/p>

圖16 四對(duì)差分傳統(tǒng)背板鏈路仿真拓?fù)?/p>

差分鏈路拓?fù)浯罱üδ茉诟黝?lèi)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(dòng)搭建方式。ADS中也有S參數(shù)、傳輸線(xiàn)等多個(gè)模塊，這些模塊之間需要用戶(hù)根據(jù)端口順序手動(dòng)連線(xiàn)。這一過(guò)程較為繁瑣，一旦出現(xiàn)端口順序弄錯(cuò)，往往要從頭檢查整個(gè)拓?fù)溥B線(xiàn)。

圖17 ADS中搭建的差分鏈路仿真拓?fù)?/p>

Channel Expert通過(guò)模板的方式輔助設(shè)計(jì)者進(jìn)行鏈路拓?fù)涞拇罱?，?duì)導(dǎo)入的S參數(shù)還能夠進(jìn)行端口順序的調(diào)整，從而使得整個(gè)拓?fù)涓鱾€(gè)部分之間的連接關(guān)系清晰、順暢。在設(shè)置好參數(shù)后，整個(gè)拓?fù)渥詣?dòng)生成，不再需要設(shè)計(jì)者在各個(gè)部分之間手動(dòng)連線(xiàn)，簡(jiǎn)化了拓?fù)浯罱ǖ姆爆嵅僮?，?shí)實(shí)在在地提高了仿真效率。

如果Channel Expert自帶的Template無(wú)法與特定鏈路的拓?fù)渫耆恢?，仿真人員可以先選用最接近的Template，在軟件自動(dòng)生成拓?fù)浜?，再在已生成拓?fù)浠A(chǔ)上進(jìn)行手動(dòng)編輯，增加或刪除不必要的鏈路部分?？梢哉f(shuō)，Channel Expert的鏈路拓?fù)浯罱ǚ绞郊从凶詣?dòng)化的，也支持手動(dòng)編輯，具有相當(dāng)高的靈活性。

Ø 在Snp Expert中查看仿真結(jié)果

Snp Expert是目前業(yè)界最好的S參數(shù)后處理軟件，是仿真人員對(duì)仿真結(jié)果分析的一大利器。Snp Expert支持S參數(shù)文件的批量導(dǎo)入、混合模的插損/回?fù)p/串?dāng)_/ICR/ICN等曲線(xiàn)的快速繪制、S參數(shù)的級(jí)聯(lián)和分解、S參數(shù)去嵌、仿真結(jié)果規(guī)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(gè)工程，將仿真得到的通道S參數(shù)文件導(dǎo)入，導(dǎo)入界面如圖18所示。Snp Expert會(huì)根據(jù)S參數(shù)文件內(nèi)部的信息自動(dòng)進(jìn)行端口分類(lèi)，如果用戶(hù)發(fā)現(xiàn)軟件端口分類(lèi)有誤，還可以通過(guò)Pin Direction一欄下的選項(xiàng)進(jìn)行調(diào)整。

圖18 Snp Expert中S參數(shù)導(dǎo)入界面

點(diǎn)擊圖18中的OK按鈕，就完成了S參數(shù)文件的導(dǎo)入，軟件會(huì)進(jìn)入圖19所示的界面。在這里，用戶(hù)首先可以通過(guò)Auto Diff按鈕自動(dòng)地給差分端口設(shè)置上差分屬性。然后，在Category處將S參數(shù)類(lèi)型選擇為S Parameter Diff。接著，選擇Grid頁(yè)面，通過(guò)該頁(yè)面下方的多個(gè)按鈕自動(dòng)選中所有的Diff IL、Diff RL等數(shù)據(jù)源。最后，點(diǎn)擊New Plot按鈕，就可以繪制出所需要的曲線(xiàn)。

Snp Expert的這一系列曲線(xiàn)繪制過(guò)程完全在GUI界面中通過(guò)鼠標(biāo)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，相比而言，在ADS中要繪制出這些曲線(xiàn)，用戶(hù)需要手動(dòng)編寫(xiě)一定量的公式，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。Snp Expert的這一功能相當(dāng)好用，在ADS2016版本新增的S參數(shù)分析模塊中，也借鑒了Grid頁(yè)面的形式。從這一點(diǎn)上也可以看到業(yè)界EDA大廠對(duì)Snp Expert這一功能的肯定。

圖19 Snp Expert中S參數(shù)設(shè)置和繪制界面

在Snp Expert中繪制出各類(lèi)曲線(xiàn)后，可以參照?qǐng)D20所示的方法調(diào)出Compliance Configuration界面，在仿真曲線(xiàn)上添加各類(lèi)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的Spec紅線(xiàn)。圖20中在仿真得到的插損曲線(xiàn)上添加了100GBASE-KR4損耗標(biāo)準(zhǔn)紅線(xiàn)，設(shè)計(jì)者就很容易看到當(dāng)前的設(shè)計(jì)是否會(huì)超出規(guī)范的要求。

圖20 為仿真曲線(xiàn)添加標(biāo)準(zhǔn)紅線(xiàn)

圖21 通道串?dāng)_計(jì)算步驟1

除了添加標(biāo)準(zhǔn)紅線(xiàn)之外，根據(jù)導(dǎo)入的S參數(shù)文件還可以進(jìn)行近端串?dāng)_、遠(yuǎn)端串?dāng)_、ICR等數(shù)據(jù)的計(jì)算。在Channel菜單下選中Xtalk命令，會(huì)彈出圖21所示的通道串?dāng)_計(jì)算界面。對(duì)于導(dǎo)入的S參數(shù)中包含的所有通路，軟件自動(dòng)給出這些通路對(duì)應(yīng)的所有串?dāng)_源。用戶(hù)只需要跟隨向?qū)c(diǎn)擊Next按鈕，在圖22界面中選擇需要計(jì)算的項(xiàng)目，然后點(diǎn)擊Plot按鈕，就可以立即得到各類(lèi)串?dāng)_曲線(xiàn)。

圖22 通道串?dāng)_計(jì)算步驟2

Snp Expert中還包括了USB Type-C各類(lèi)參數(shù)計(jì)算、IEEE802.3BJ中COM指標(biāo)計(jì)算等多種功能，限于篇幅，在本文中不再一一介紹。這些計(jì)算功能的原理可能較為復(fù)雜，但Snp Expert已經(jīng)集成了這些功能，用戶(hù)只需要根據(jù)軟件界面上的提示進(jìn)行鼠標(biāo)操作，即可很方便地得到相關(guān)的數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)。

三、高速鏈路的后仿真

在完成PCB設(shè)計(jì)之后，通常還需要對(duì)高速鏈路進(jìn)行后仿真分析，確保實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)果與前仿真的預(yù)期一致。對(duì)于后仿真過(guò)程，重點(diǎn)在于對(duì)PCB上的實(shí)際布線(xiàn)拓?fù)溥M(jìn)行提取和仿真。整體鏈路的仿真和仿真數(shù)據(jù)的后處理過(guò)程則與前仿真階段完全一致。

由于實(shí)際PCB結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含的數(shù)據(jù)量較多。因此，如何快速、準(zhǔn)確地從實(shí)際PCB上提取仿真人員需要的走線(xiàn)拓?fù)洌瑯O為考驗(yàn)EDA工具的能力。Via Expert除了能夠根據(jù)Template建模之外，還為用戶(hù)提供了直接從PCB上提取走線(xiàn)拓?fù)涞墓δ堋?/p>

在圖3界面中選擇Model With Layout命令，就會(huì)彈出圖23所示的PCB文件導(dǎo)入界面。用戶(hù)選擇需導(dǎo)入的PCB文件后，Via Expert會(huì)解析文件，將PCB中所有的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)列在圖23的左側(cè)，將能夠識(shí)別到的電源網(wǎng)絡(luò)列在圖23的右側(cè)。用戶(hù)從左側(cè)篩選出需要分析的網(wǎng)絡(luò)，將其移到右側(cè)列表中，然后點(diǎn)擊OK按鈕。Via Expert經(jīng)過(guò)進(jìn)一步解析之后，會(huì)彈出圖24所示的Cut View界面。在Cut View界面上，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際走線(xiàn)形狀進(jìn)行切割，將所需

圖23 Via Expert中PCB導(dǎo)入界面

圖24 Cut View界面中截取網(wǎng)絡(luò)實(shí)際走線(xiàn)

要的走線(xiàn)、信號(hào)孔保留下來(lái)，去除不必要的成分，得到圖25所示的實(shí)際走線(xiàn)拓?fù)涞娜S模型。在提取的實(shí)際走線(xiàn)拓?fù)鋬啥说男盘?hào)孔或Pad上加上端口，設(shè)置好仿真頻段，就可以在Via Expert中進(jìn)行仿真，最終得到實(shí)際走線(xiàn)拓?fù)涞腟參數(shù)。

經(jīng)過(guò)多個(gè)版本的迭代之后，當(dāng)前的Via Expert軟件不僅可以從PCB上提取各種復(fù)雜的走線(xiàn)、孔和反焊盤(pán)結(jié)構(gòu)，而且對(duì)大規(guī)模單板的解析效率也較高。通過(guò)Via Expert的這一功能，用戶(hù)可以分別將單板、背板上的走線(xiàn)拓?fù)涮崛〕鰜?lái)，仿真得到各自的S參數(shù)，然后在Channel Expert中仿真整個(gè)通道的性能。

圖25 從PCB上提取的實(shí)際走線(xiàn)拓?fù)?/p>

四、總結(jié)

芯禾的Expert系列軟件各自均具有強(qiáng)大的功能，互相配合使用，能夠?qū)崿F(xiàn)高速鏈路的各類(lèi)仿真。Via Expert可以方便地建出PCB上的各類(lèi)模型，或者直接從PCB上提取需要的模型，經(jīng)過(guò)仿真后得到模型的S參數(shù)。Channel Expert可以對(duì)各類(lèi)通道拓?fù)溥M(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)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(yè)界最好的S參數(shù)處理軟件，不僅能夠根據(jù)導(dǎo)入的S參數(shù)快速生成各類(lèi)曲線(xiàn)，還集成了大量國(guó)際規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，便于仿真人員判斷仿真結(jié)果的可用性。

最為難得的是芯禾是一家研發(fā)完全在國(guó)內(nèi)的EDA公司，相比于EDA領(lǐng)域的國(guó)際大廠，芯禾能夠更迅速地響應(yīng)國(guó)內(nèi)各類(lèi)廠家在高速信號(hào)仿真領(lǐng)域的需求。從2013年首次使用芯禾的軟件到現(xiàn)在，筆者切切實(shí)實(shí)地感受到了芯禾Expert系列軟件的巨大進(jìn)步。這種進(jìn)步反過(guò)來(lái)又幫助了高速信號(hào)的仿真人員，不僅提高了仿真效率，更使得仿真人員能夠?qū)⒕性谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面，而不是為各種建模而傷透腦筋。

隨著以太網(wǎng)設(shè)備端口容量從100GbE向著400GbE、甚至1TbE演進(jìn)，人們對(duì)高效、好用的EDA仿真工具提出了更多的需求。期待芯禾開(kāi)發(fā)的EDA軟件功能更加強(qiáng)大，在高速設(shè)計(jì)領(lǐng)域獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。