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PCB信号完整性工具特点

浏览次数: 日期:2015-09-01

摘要:

PCB 信号完整性可以简单地分成三个类别:
1.时序问题(Timing)问题。时序问题是关键问题,目前的设计者基本上采用核心芯片厂家的现成方案,因此设计中主要的一部分工作是如何保证 PCB 能够符合芯片工作要求的时序。
2.普通 SI 问题。即解决驱动问题、端接电阻或串接阻尼电阻数值的计算、PCB 层压结构和特性阻抗计算,走线拓扑结构分析。
3.微波段传输问题。即通常所称的GHz SI。设计需要解决传输链路上因为走线、过孔和材料等小尺寸形状引起的各种通常只有在微波领域才会考虑的问题。对于普通 SI 问题,Hyperlynx、SQ 和ICX 都可以很好解决。国内用户基本上已经掌握了如何处理和分析普通SI 问题。就工具而言,SQ、Hyperlynx或ICX 都可以很好解决。性能上,SQ 的长处是它本身就是一个PCB 布局布线工具,因此其适合实际PCB 布局布线上性能上比较好,也即现场调试(On-The-Fly)性能比较好。但是SQ 没有时序分析能力,只有简单有限的时序测量功能。Hyperlynx 优点是容易使用,不过既没有时序分析功能,也无时序测量功能。相当来说,Hyperlynx 在EMC 预测上比较方便,这是Hyperlynx的优点。ICX 其GUI 上的弱点和设置的复杂性使得用户不大愿意采用该工具。目前普通SI 问题,主要是PCB 布线设计者在进行。原理图设计者则基本不做该方面的工作。主要原因是工具使用不熟悉和对SI 了解较少。另外,还有相当多的国内用户还不了解基本逻辑工作电平要求和阻抗概念, 不了解Source-Load 驱动分析。由此造成不少前期设计的PCB 因为器件厂家的替换,引起系统工作异常而重新设计。一个典型的例子是只能选用Pericon 16245 的而不能使用TI 的16245 的,这样的例子发生过多次。


时序问题,目前国内用户基本没有掌握。少数 SQ 的用户会采用Excel 表来编制时序要求,后期把从SQ 中测量出的参数手工填写到Excel 表中去计算是否最终设计符合时序要求。即使这样,能了解时序的人很少,无论是原理图设计者和PCB 布线设计者都很难从芯片数据单中读懂时序。许多时候,由于错误的约束造成了设计的多次反复。时序问题主要并行接口的问题。从下图中,可以看到目前接口上的复杂性。由于这些接口都是新的接口,速度从50Mhz-500MHz不等,对时序要求很高,走线的延迟是主要的问题,国内用户短时间内还没有掌握这些接口,因此后期的时序验证基本上无力进行。


微波段传输问题是串行接口引起的,在通讯上特别重要,主要是解决多板问题,即插卡核心芯片-连接器-背板-连接器-插卡核心芯片链路上的传输问题。串行链路没有时序问题,只有传输问题,需要解决因频率到达微波段引起的信号幅度和01 比特流变化引起的码间干扰问题。该部分问题必须采用频域和时域工具结合。目前主流的SQ,Hyperlynx 和ICX 处理这些问题还不是很有效。Cadence 在SQ 中推出了一个报价20 万美金的MGH 工具(SI 630)来解决这些问题,这个工具实际采用者很少,表面上看起来和SQ 没有差别,但它加入了一个提取3D过孔的工具和一个将S参数转换回时域工具支持的表格参数的快速仿真功能。

 

Hyperlynx 和ICX 处理S 参数都是采用Eldo 来完成的,但由于缺乏MGH 里的算法分析长比特流在所需时间上是不实际的。从严格的角度看,这些工具处理微波段还是无效的,因为互连结构 3D 提取只有依靠3D 场,另外必须考虑多板系统之间非理想地的影响,而这些工具都是无法支持非理想地的。因此,实际上用户需要采用Ansfoft HFSS 等工具。该部分的SI 是目前热点,许多用户发表论文均是和此相关的。虽然如此,对于普通的系统设计者而言,实际上这部分工作不是主要的,相对来说芯片厂家则必须采用这些工具来解决芯片Serdes 设计和系统可应用性问题。通常的解决方法是使用HFSS 提取过孔、走线的S 参数,然后采用手工或其它工具如Optimal 的SI Assit 来处理提取的S 参数使得可以为HSPICE 等时域工具接受(几乎HFSS参数提取的所有S 参数必须处理后才能在时域工具中使用)。这个过程不大容易,只有少数专家级工程师才有能力,因为工具给出的结果没有直观的意义,只有具有好的背景理论才能理解结果。国内用户之所以热心该方面,主要的原因估计是想提高自己的专业水平,倒不是眼前实际工作需求。因此,Ansoft 目前还够不成实际的竞争。


至于 PCB 上的PI,即电源完整性,目前没有实际可用的工具。Ansoft 的SIwave 和Sigrity 的SPEED2000,PowerSI 都没有实际用途,算法上也无特殊点,其声称的东西实际上无效。只有Optimal 的工具倒是概念上比较好,但目前只是Beta。其Beta 版本和PCB 接口非常差,短时间内不大会被用户接受。


从上面的情况可以明确看出,将时序分析和普通SI 分析结合一体的工具是最有市场的,是主要的SI 市场,Mentor 可以将主要市场推销放在此上面,新的ICX 性能提供,应当能够吸引SQ 用户转向这类工具。Mentor 的ICX+Tau 从概念上具有这样的能力,但本身目前性能上不理想,改进太慢。而最近另外一家公司Sisoft 推出的工具Quantum-SI 具有这样的功能,该工具虽刚推出,但非常切合目前用户的需求。


PCB SI 工具功能比较
很明显,一个理想的主流PCB SI 工具应该是时序分析和SI 分析结合一体的工具。下面的分析中,以Sisoft 公司的Quantum-SI 为标杆,这样做的目的有利于理解SQ、Hyperlynx 和ICX/Tau。关于 Sisoft 的背景见其网站相关工具下。但这不影响对SQ、Hyperlynx 和ICX/Tau 的比较。


价格
Hyperlynx 价格并不低,作为一个普及型SI 工具价格比较高。Quanum-SI的价位在9000-40000 美元。Hyperlynx 是5000-50000,下面是Sisoft的比较表:Mentor 的Tau 需要35000-45000 美金。相比之下,Hyperlynx 并无价格优势。ICX+Tau 价格?估计在150000 美金,高于SQ 的120000 美金。但Cadence 630 更贵,200000 万美金。价格贵的问题是如果用户将Mentor方案和Cadence 方案上报审核,有可能管理部门会选择价格低的。


易用性
ICX/Tau 用户掌握比较困难,SQ 则比较容易,Hyperlynx 是最容易的。如果用户不是迷信SQ 的话,会非常容易接受Hyerlynx。而且现在V7.5 版本显示性能提升了,相反SQ 由于添加了不少功能,显得设置更为复杂。


时序分析能力
目前时序分析特别重要。高速 PCB 布局设计的本质问题是要解决时序问题。采用Excel 工具进行时序计算很困难,需要用户了解多种新的复杂并行接口的时序要求。Tau 从概念上看非常好,特别是和ICX 结合在一起解决了前后时序分析。SQ 基本上可以说没有时序分析功能(有简单的时序测量功能),Hyperlynx则完全没有时序分析和测量功能。但是Tau 也存在问题。Tau 和Mentor 力推的DxDesigner 没有直接接口,只是和Design Architect 和Design View 有接口;Tau 本身的Schematic View 性能太差,因此EDIF 格式的第三方原理图数据实际上无法使用;Tau 本身缺乏模型支持,需要用户自己写模型,而且还需要第三方工具TimeDesigner 配合。如果能够构建些 Tau 的模型,培训用户掌握Tau 模型的创建,那么将具有明显的竞争优势。这是Cadence 短期内无法赶上的。除非Cadence 收购TimeDesigner 创建一个新的板级时序分析工具。这方面Quantum-SI 比ICX+Tau 要强。其GUI,常用接口设计包(实际上很少,要后期才推出),SI 测量非常有特点。


同步开关噪声(SSO)和串扰分析
Hyperlyx,SQ 和ICX 都不能分析SSO,串扰分析功能也相当有限。这个Sigrity 留下了市场机会。Quantum-SI 可以进行复杂的多板系统分析,据说能够支持SSO,如下图。但据我估计,其只能做到和ICX 或SQ 相同水平。


仿真设置
Hyperlynx 最为简单,ICX 比较不方便,SQ 比ICX 要方便。但Hyperlyxn 也有其缺点,就是测量上几乎没有固定的设置。这方面比较好的是Quantum-SI,如下图,可以一次性设置多个网络,同时内嵌了45 种复杂的测量模式。这方面,SQ 和ICX 都不如Quantum。


因此,从目前的情况看,用户最需要的是一个时序分析和SI 结合一体的工具,而且界面要优化,设置要简单,同时需要包括Design KIT。ICX+Tau 如果能够象Quantum-SI 一样性能得到改进,那么将会受到用户欢迎。由于Mentor具有设计前端和后端,ICX+Tau 的优势是其它工具无法取代的。

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