高速電子におけるシミュレーションの重要な役割

複数のギガビットのデータレートで動作する回路の設計は、電磁的動作の厳密な理解を必要とします。反射、クロストーク、および地上のバウンスなどの信号整合性(SI)の問題は、簡単に性能を劣化させるか、完全なシステム障害を引き起こす可能性があります。 物理的なプロトタイピングはもはや十分ではありません - 結果的なボードスピンは高価で遅くなります。 シミュレーションツールは、製造にコミットする前に、温度、プロセス、およびレイアウトの変動を予測するための制御された環境を提供します。

信号の整合性挑戦

高周波で、伝送線は単純ワイヤになりません。バイス、コネクタ、トレースの曲がりなど、あらゆるインピーダンスの中断は、パルス形状を歪める反射を生成します。マージンの縮小をタイミングで、スキューのピコ秒でさえビットエラーを引き起こす可能性があります。シミュレーションにより、エンジニアはSパラメータ、TDR分析、眼下測定を使用してこれらの効果をモデル化し、ネットワークの終了とスタックアップ設計をチューニングすることができます。

電磁干渉とクロストーク

高速信号はエネルギーを放射し、潜在的に近傍回路または規制の排出限界に干渉します。 回帰線が相互キャパシタンスかインダクタンスを通した犠牲者にエネルギーを差し込むとき、クロストークは起こります。 双方向波3Dシミュレーションは、フィールド分布をマッピングし、2Dツールに見えないカップリングパスを識別できます。 これにより、設計者はルーティングを調整したり、シールドを追加したり、下落したタンジェントで材料を選択したりすることができます。

主要なシミュレーションツールと能力

エンジニアは、高速信号解析の異なる面に最適化された、シミュレーション環境の範囲へのアクセスを持っています。適切なツールを選択すると、周波数範囲、構造の複雑さ、および必要な分析の種類によって異なります。

トランジェントとアナログ解析のSPICE

SPICE(集積回路エンファシスを用いたシミュレーションプログラム)は、回路レベルのシミュレーションのバックボーンを高速設計に残します。HSPICE、LTSPRING、およびドライバーや受信機、トランスミッションラインモデル(W-element)、リンク解析のための統計シミュレーションのためのPSpiceサポートの動作モデルなどの近代的なバリアント。SPICEは、時間と時間の経過とともに横断的なシミュレーションで優れ、ジッタの評価、稼働時間劣化、セットアップ/境界マージンに最適です。

SPICE機能のキュレーション概要については、【]] を参照してください。Synopsys SPICE概要 を参照してください。

完全な波動電磁 ソルバー: HFSS および CST

信号波長がサイズを特徴とすることと相反する時、回路レベルのモデルが破壊されます。Ansys HFSSやDassaultのCST Studio Suiteなどのフルウェーブソルバーは、FEM(FEM)やFIT(FIT)を使用して、Maxwellの3D空間で直接、Maxwellの式を解決します。これらのツールは、Sパラメータ、放射線パターン、およびコネクタ、PCBおよびパッケージの構造のための現在の分布の正確な予測を提供します。

たとえば、HFSSは、高速コネクタインターフェースとICパッケージの設計に広く使われています。リーダーは、詳細は、Ansys HFSS製品ページの公式を調べることができます。

ADSを用いたシステムレベルのシミュレーション

KeysightのAdvanced Design System(ADS)は、回路とシステムシミュレーションのギャップを埋めます。 長距離リンク、ElectroMagnetic(EM)の共同シミュレーション、および標準ベースのモデル(PCIe、DDR、USB-C)の包括的なライブラリ用のChannel Simulatorを含みます。 ADSは、両方の回路エンベロープとDF(データフロー)シミュレーションをサポートし、SerDesの設計と信号の完全性サインオフに人気を博しています。

ADSアプリケーションへのさらなる読み込みは]]から可能です。KeysightのADSページ。

シミュレーションツールモデル信号行動

シミュレーションエンジンは、物理的な現実の数学的抽象化に依存しています。基礎的な技術を理解することで、エンジニアは正しく適用することができます。

タイムドメイン対周波数ドメイン解析

タイムドメインシミュレータ(SPICEなど)は、時間の機能として電圧と電流を計算します。 それらは、トランジスタなどの非線形デバイスを処理し、眼科シミュレーションとジッタ解析に不可欠です。 周波数ドメインソルバー(HFSS)は、分離周波数でのシステム応答を補正し、その後、合理的なフィッティングまたは逆FFTを介してブロードバンド結果を合成します。 多くの近代的なツールは、ハイブリッドシミュレーションを提供し、周波数ドメインの解決とネットワークの解決に役立ちます。

物質的な特性およびモデル正確さ

実際の材料は周波数に依存する動作を展示します。誘電率(Dk)と損失の有形(Df)は周波数、温度、湿気と変化します。シミュレーションは、材料モデルがそれに供給されると、正確です。高度なツールは、]]を組み込む ]]ワイドバンドDebyeの極-ゼロモデル]]をこれらのバリエーションをキャプチャします。表面粗さ、銅の質感、ガラス編み効果は、およびガラス編みの効果は、ミル波の欠陥が、それらが20%増加する可能性があります。

高速シミュレーションのための実用ワークフロー

設計フローにシミュレーションを統合するには、慎重に計画し、検証する必要があります。 業界で使用される典型的な方法論は次のとおりです。

シミュレーション環境の設定

  1. :電気ネットリストの定義:運転者の出力インピーダンス、受信機の入力キャパシタンスおよびすべての相互接続を含んで下さい。
  2. [ パラシティックスを抽出します。電磁界のソルバーを使用して、ス トレース、ビア、コネクタ用のSパラメータまたはWエレメントモデルを生成します。
  3. [ 校正材料プロパティ[]: 測定されたDkとDf値を入力し、PCBベンダーのデータベースから標準値を使用する。
  4. []シミュレーションの目標を設定:ビットレート、ジッタ許容、アイマスク、および目の高さ/幅のターゲットを指定します。
  5. []Runシミュレーション[]]: 十分な長ビットシーケンス(例えば、10]]6[ビット])の一時的な解析を実行して、最悪のケース間接干渉をキャプチャします。

業績・最適化の解釈

後処理ツールは、アイダイアグラム、浴槽の曲線、統計ビットのエラー率(BER)の輪郭を表示します。クローズドな目パターンは、リンクが失敗する可能性があります。 エンジニアは、アンチパッドのサイズ、または終了抵抗値を介して、トレース幅などの変数を微調整します。 各シミュレーションは実行する時間を必要とするため、近代的なツールは]並列処理とと[実験の設計(DORT:[FLT:[FLT]:[F]]を効率的にパラメータ])]を[FLTFLT]パラメータを[FLT:[F]]:[FLT:[FLT:[F]:[F]:[FLT:[FLT:[F]:[F]:[F]:[F]:[F]:[F]:[FLT:[FLT:[F]:[F]:[F]:[FLT:[F]:[FLT:[実験のパラメータ]:[[[[[[[[F]:[[[[[F]]

早期シミュレーションのメリット

レイアウト前のシミュレーションをデプロイすると、三つの主な利点があります。

  • [Cost Reduction]: プレレイトシミュレーションで信号整合の問題を見つけることは、計算時間の数分の余分がかかります。 ボードの製作後に見つかった同じ問題は、数千ドルまたは数千ドルの新しいプロトタイプの実行を必要とするかもしれません。
  • Designの信任]:エンジニアは、フィールド障害のリスクを軽減し、最悪のプロセスと温度コーナーの下に提案されたトポロジーとコンポーネントの選択を検証することができます。
  • ファスタータイムツーマーケット[:不要なプロトタイピング反復を排除することで、チームは最初のパスの作業ボードや近似のデザインに直接移動できます。

シグナルインテグレーションシミュレーションにおける投資に対する投資に関する詳細な議論については、この[EDNの記事を参照してください。

制限事項と留意事項

シミュレーションツールは完璧なクリスタルボールではありません。エンジニアは、一般的な落とし穴を認識しなければいけません。

  • [モデルの忠実度とランタイム:マザーボード全体の完全な3D EMシミュレーションは、強制的に禁止される可能性があります。 階層シミュレーション - 重要なネットは3Dと2Dの残りの部分にモデル化され、多くの場合、妥協が必要となる。
  • :物理をミシング: いくつかのツールは、近接効果(例えば、高周波数での内部インダクタンス)を無視するか、または明示的にモデル化されていない限り、理想的な電力送達ネットワークを想定します。
  • : 境界条件の設定、メッシュ密度、およびソルバーの精度は経験を必要とします。 適切に構成されたシミュレーションは、可塑性に見えるが、過度に不正確である結果を作り出すことができます。

検証は不可欠です。タイムドメインのリフレクメータ(TDR)やベクターネットワークアナライザ(VNA)から測定データを照合して、モデル内の信頼を築きます。

高速シミュレーションの未来

224 Gbps(PCIe 7.0のターゲット)を超えるデータレートのプッシュとして、シミュレーションツール開発者は、パラメータのスイープを加速し、ジオメトリから相互接続の動作を予測する機械学習アルゴリズムを組み込んでいます。クラウドベースのシミュレーションプラットフォームは、チームが要求に応じて高性能なコンピューティングリソースにアクセスすることができます。さらに、多体的カップリングは、電磁的、熱的、機械的効果の相互作用を模倣する、高速度電流が材料特性を変える抵抗加熱を生成するので、標準になっています。

もう一つの新興トレンドは、システム全体で[の数字のツイン]の使い方です。 デジタルツインは、リアルタイムセンサーデータとシミュレーションモデルを統合し、製品のライフサイクル全体で継続的にパフォーマンスを検証します。 このコンセプトは、依然として成熟していますが、設計、製造、およびフィールド操作の間のループを閉じることを約束します。

コンテンツ

シミュレーションによる高速信号動作予測は、もはやオプションではありません。それは現代の電子機器の設計のコア規準です。SPICEトランジェント分析からフルウェーブ3D EMソルバーまで、各ツールは、信号の完全性、EMI、およびタイミング性能にユニークな洞察を提供します。 早期にデプロイし、測定に対して検証されると、シミュレーションは開発コストとリスクを大幅に削減します。 通信規格がスピード封筒をプッシュし続けるにつれて、シミュレーションツールは、必然的にスマートになり、より高速に統合され、より高速に設計され、より高機能的にシステムを構築します。