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PCB系统设计转折点到来,面临四大挑战

上网日期: 2016年04月29日 ?? 作者: 朱秩磊 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:PCB系统设计? 串行接口?

随着电子行业技术的发展,特别是在传输接口的发展上,IEEE1284被 USB 接口取代,PATA被 SATA 取代,PCI被 PCI-Express 所取代,无一都证明了传统并行接口的速度已经达到一个瓶颈了,取而代之的是速度更快的串行接口,于是原本用于光纤通信的SERDES技术成为了为高速串行接口的主流,伴随而来的就是高速PCB设计。

高速PCB系统设计转折点迎来四大挑战

“PCB系统设计已经来到了一个转折点。”Mentor Graphics SDD部门业务发展经理David Wiens指出,“我们看到客户正面临着多重挑战。在业务方面,面临交货期限、更低的开发成本、产品可靠性、产品差异化等挑战;在公司内部,可能面临日益增加的设计复杂度、频繁的设计修改、合作、性能验证等多重挑战;在战略措施层面,可能面临着复杂性管理、组织合作、可靠性及质量、IP管理等诸多挑战。”

可以想象,客户们要应对功率、成本、密度、性能、时间、制造等多重因素的挤压。“高速电子系统意味着越来越严苛设计复杂性。例如BAE SYSTEMS的双目头盔显示器,有超过2300个部件,12000个通孔,30个以上的电压轨。信号/电源完整性、成本、可制造性、可靠性、电源、散热、寿命、外形尺寸都是需要考虑的因素。”David Wiens举例说,“又例如是德科技的高性能示波器超有过5000个部件,31000个连接,80个以上的电压轨,负载功率或超过400W。同样的,信号/电源完整性、可制造性、可靠性都是重点考虑的因素。信号如此复杂、密度之高的高速电子系统,如何保证质量及可靠性、安全性就是个非常重要又极具挑战的问题。”

SERDES 技术的采纳极大增加了数字信号传输使用的频率,即便像第三代PCIe这样的“主流”协议都能以 8 Gb/s 的速度高速运作。在转向高速PCB系统的过程中,Mentor Graphics SDD高速产品总监F.David Kohlmeier认为将面临四大挑战。“高速信道设计与分析,快速多通道架构、多级信号(PAM4)、信道利用率(COM)等;存储器接口不断演进,从DDR3到DDR4,再到混合存储立方;电源分布网络越来越重要,许多PCB板层数减少了,而要求更低电压、更高电流,‘瑞士奶酪’效应可能影响返回路径;系统建模的需求,2.5D/3D芯片封装、多层板系统,影响PCB设计及验证过程。

PCB系统设计转折点到来,面临四大挑战《电子工程专辑》

例如SERDES设计,信号速度越高,设计冗余就越小。David Wiens介绍,用同样的线长,信号在6.25Gbps,眼图张得很开,到25Gbps时眼图已经很小,到50Gbps时,眼图几乎完全闭合了。增加信号速率,眼图就会越来越模糊,电源信号太多太密集,来不及反应。又例如DDRx,从LPDDR1,到LPDDR4,信号速率提高,眼图的振幅越来越小,在相同时间内做的事情也越来越少。”

新版HyperLynx迎接新技术的挑战

“当达到 28 Gbps或更高速度时,没有什么是可以忽视的,并且设计师必须懂得将物理设计与超高速流状态下的电气性能相结合的重要信号完整性原则。”信号完整性专家、《信号完整性分析(Signal Integrity: Simplified)》作者,博尔德科罗拉多大学 ECEE 副教授兼 Teledyne LeCroy Front Range 信号完整性实验室负责人 Eric Bogatin博士指出。

在向高速PCB设计转型过程中,不仅PCB设计复杂性提升,相对应的工具复杂度也在不断提升,有可能负责专门培训的专家才会使用,而且现有的工具几乎都是不完整且独立的,可能需要在不同的界面,使用不同的工具去完成,增加了时间成本。这样的工具可能需要专门的人员,但这样的人员较少,等待时间也随之增加。

PCB系统设计转折点到来,面临四大挑战《电子工程专辑》

“高速 PCB 在尺寸、层数、布线密度、信号传输速度、所使用的芯片类型和供电挑战上存在非常大的差异。对于单个 EDA 供应商提供的大多数工具集,在处理不同类型的分析时,通常要求切换应用和用户界面。”David Kohlmeier表示,“对每个设计师来说,他们不需要复杂的工具来做研究,而是能尽快上手,易于使用,尽早投向市场的工具。Mentor Graphics新版HyperLynx集信号和电源完整性、3D电磁解析和快速规则检查于一个统一的环境中,首次为设计师提供一套完整的分析技术,让其能够进行任何类型的高速PCB设计工作。该版本HyperLynx提供广泛的底层仿真引擎和能够让用户进行快速/交互式且完善的批处理模式分析的图形用户界面,树立了在一个简单易用的环境中部署高速功能的新标准。”

据介绍,新版HyperLynx提供了高级的电磁解析器(包括全波3D),可让用户紧跟日益快速的 SERDES 技术的步伐。3D引擎是深度集成的,因此用户不用学习全波解析器环境中纷繁复杂的内容。该集成可确保通过信号和电源几何结构,生成电磁 (EM) 端口,运行仿真,得到 S 参数结果并整合到时域仿真,而所有这些都是自动完成的。

新版HyperLynx添加了多个引擎:两个 2.5D解析器、行业中最快速的 DC/IR 压降仿真器和一个快速准静态3D解析器,以便提供一套完整的电源完整性功能,这些功能与HyperLynx的信号完整性功能在同一个应用中提供。第二个更为高级的2.5D解析器能够进行纯电源和信号/电源混合建模,怀疑存在同步开关噪声 (SSN) 时其可用于增加 SI 仿真的精度。

此外,仿真 PCB 信号布线和供电的每个细节需要付出巨大努力。通过从原始的仿真功能转换到标准接口和协议(如DDRx内存和 100 Gb/s 以太网 SERDES)的特殊要求,可减轻用户负担并针对所有接口提供简化的、汇总性的通过/失败判断。HyperLynx的DDRx内存接口向导率先提供了简易设置、自动化的总线仿真和结果报告整合功能,而且现在已扩展到 DDR4 和 LPDDR4 接口。基于 HTML 的报告使得用户可以创建设计文档以及进行内部基于Web 的结果“发表”。

同时,Mentor Graphics 还将发布新版操作系统及增强的硬件功能,增强的硬件能够缩短设计编译、运行和调试周期,提高整体吞吐量达一倍。硬件加速解决方案与其中的一个新应用程序相结合后,大型复杂SoC可视性和调试时间可减少达 50%。

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