當前主流PCB SI工具的特點

2016-12-06 by:CAE仿真在線來源:互聯網

本文就目前PCB用戶需求情況和主流SI工具(Cadence SQ、Mentor Hyperlynx和ICX/Tau)功能和特點上作比較和說明,幫助銷售經理了解對手產品、理解用戶需求從而正確定位銷售目標并制訂有效的銷售策略。注意考慮到銷售經理的理解,本文沒有深入討論技術和工具細節,也沒有使用專業術語,有些提法上不一定正確。

PCB SI問題和目前的情況
PCB SI可以簡單地分成三個類別:

時序問題(Timing)問題。時序問題是關鍵問題,目前的設計者基本上采用核心芯片廠家的現成方案,因此設計中主要的一部分工作是如何保證PCB能夠符合芯片工作要求的時序。
普通SI問題。即解決驅動問題、端接電阻或串接阻尼電阻數值的計算、PCB層壓結構和特性阻抗計算,走線拓撲結構分析。
微波段傳輸問題。即通常所稱的GHz SI。設計需要解決傳輸鏈路上因為走線、過孔和材料等小尺寸形狀引起的各種通常只有在微波領域才會考慮的問題。

對于普通SI問題,Hyperlynx、SQ和ICX都可以很好解決。國內用戶基本上已經掌握了如何處理和分析普通SI問題。就工具而言,SQ、Hyperlynx或ICX都可以很好解決。性能上,SQ的長處是它本身就是一個PCB布局布線工具,因此其適合實際PCB布局布線上性能上比較好,也即現場調試(On-The-Fly)性能比較好。但是SQ沒有時序分析能力,只有簡單有限的時序測量功能。Hyperlynx優點是容易使用,不過既沒有時序分析功能,也無時序測量功能。相當來說,Hyperlynx在EMC預測上比較方便,這是Hyperlynx的優點。ICX其GUI上的弱點和設置的復雜性使得用戶不大愿意采用該工具。目前普通SI問題,主要是PCB 布線設計者在進行。原理圖設計者則基本不做該方面的工作。主要原因是工具使用不熟悉和對SI了解較少。另外,還有相當多的國內用戶還不了解基本邏輯工作電平要求和阻抗概念,不了解Source-Load驅動分析。由此造成不少前期設計的PCB因為器件廠家的替換,引起系統工作異常而重新設計。一個典型的例子是只能選用Pericon 16245的而不能使用TI的16245的,這樣的例子發生過多次。

時序問題,目前國內用戶基本沒有掌握。少數SQ的用戶會采用Excel表來編制時序要求,后期把從SQ中測量出的參數手工填寫到Excel表中去計算是否最終設計符合時序要求。即使這樣,能了解時序的人很少,無論是原理圖設計者和PCB布線設計者都很難從芯片數據單中讀懂時序。許多時候,由于錯誤的約束造成了設計的多次反復。時序問題主要并行接口的問題。從下圖中,可以看到目前接口上的復雜性。由于這些接口都是新的接口,速度從50Mhz-500MHz不等,對時序要求很高,走線的延遲是主要的問題,國內用戶短時間內還沒有掌握這些接口,因此后期的時序驗證基本上無力進行。

微波段傳輸問題是串行接口引起的,在通訊上特別重要,主要是解決多板問題,即插卡核心芯片-連接器-背板-連接器-插卡核心芯片鏈路上的傳輸問題。串行鏈路沒有時序問題,只有傳輸問題,需要解決因頻率到達微波段引起的信號幅度和01比特流變化引起的碼間干擾問題。該部分問題必須采用頻域和時域工具結合。目前主流的SQ,Hyperlynx和ICX處理這些問題還不是很有效。Cadence在SQ中推出了一個報價20萬美金的MGH工具(SI 630)來解決這些問題,這個工具實際采用者很少,表面上看起來和SQ沒有差別,但它加入了一個提取3D過孔的工具和一個將S參數轉換回時域工具支持的表格參數的快速仿真功能。Hyperlynx和ICX處理S參數都是采用Eldo來完成的,但由于缺乏MGH里的算法分析長比特流在所需時間上是不實際的。

從嚴格的角度看,這些工具處理微波段還是無效的,因為互連結構3D提取只有依靠3D場,另外必須考慮多板系統之間非理想地的影響,而這些工具都是無法支持非理想地的。因此,實際上用戶需要采用Ansfoft HFSS等工具。該部分的SI是目前熱點,許多用戶發表論文均是和此相關的。雖然如此,對于普通的系統設計者而言,實際上這部分工作不是主要的,相對來說芯片廠家則必須采用這些工具來解決芯片Serdes設計和系統可應用性問題。通常的解決方法是使用HFSS提取過孔、走線的S參數,然后采用手工或其它工具如Optimal的SI Assit來處理提取的S參數使得可以為HSPICE等時域工具接受(幾乎HFSS參數提取的所有S參數必須處理后才能在時域工具中使用)。這個過程不大容易,只有少數專家級工程師才有能力,因為工具給出的結果沒有直觀的意義,只有具有好的背景理論才能理解結果。國內用戶之所以熱心該方面,主要的原因估計是想提高自己的專業水平,倒不是眼前實際工作需求。因此,Ansoft目前還夠不成實際的競爭。

至于PCB上的PI,即電源完整性,目前沒有實際可用的工具。Ansoft的SIwave和Sigrity的SPEED2000,PowerSI都沒有實際用途,算法上也無特殊點,其聲稱的東西實際上無效。只有Optimal的工具倒是概念上比較好,但目前只是Beta。其Beta版本和PCB接口非常差,短時間內不大會被用戶接受。

從上面的情況可以明確看出,將時序分析和普通SI分析結合一體的工具是最有市場的,是主要的SI市場,Mentor可以將主要市場推銷放在此上面,新的ICX性能提供,應當能夠吸引SQ用戶轉向這類工具。Mentor的ICX+Tau從概念上具有這樣的能力,但本身目前性能上不理想,改進太慢。而最近另外一家公司Sisoft推出的工具Quantum-SI具有這樣的功能,該工具雖剛推出,但非常切合目前用戶的需求。

PCB SI工具功能比較
很明顯,一個理想的主流PCB SI工具應該是時序分析和SI分析結合一體的工具。下面的分析中,以Sisoft公司的Quantum-SI為標桿,這樣做的目的有利于理解SQ、Hyperlynx和ICX/Tau。
關于Sisoft的背景見其網站相關工具下。但這不影響對SQ、Hyperlynx和ICX/Tau的比較。
價格
Hyperlynx 價格并不低,作為一個普及型SI工具價格比較高。Quanum-SI的價位在9000-40000美元。Hyperlynx是5000-50000,下面是Sisoft的比較表:
Mentor的Tau需要35000-45000美金。相比之下,Hyperlynx并無價格優勢。ICX+Tau價格?估計在150000美金,高于SQ的120000美金。但Cadence 630更貴,200000萬美金。價格貴的問題是如果用戶將Mentor方案和Cadence方案上報審核,有可能管理部門會選擇價格低的。
易用性
ICX/Tau用戶掌握比較困難,SQ則比較容易,Hyperlynx是最容易的。如果用戶不是迷信SQ的話,會非常容易接受Hyerlynx。而且現在V7.5版本顯示性能提升了,相反SQ由于添加了不少功能,顯得設置更為復雜。
時序分析能力
目前時序分析特別重要。高速PCB布局設計的本質問題是要解決時序問題。采用Excel工具進行時序計算很困難,需要用戶了解多種新的復雜并行接口的時序要求。Tau從概念上看非常好,特別是和ICX結合在一起解決了前后時序分析。SQ基本上可以說沒有時序分析功能(有簡單的時序測量功能),Hyperlynx則完全沒有時序分析和測量功能。但是Tau也存在問題。Tau和Mentor力推的DxDesigner沒有直接接口,只是和Design Architect和Design View有接口;Tau本身的Schematic View性能太差,因此EDIF格式的第三方原理圖數據實際上無法使用;Tau本身缺乏模型支持,需要用戶自己寫模型,而且還需要第三方工具TimeDesigner配合。
如果能夠構建些Tau的模型,培訓用戶掌握Tau模型的創建,那么將具有明顯的競爭優勢。這是Cadence短期內無法趕上的。除非Cadence收購TimeDesigner創建一個新的板級時序分析工具。這方面Quantum-SI比ICX+Tau要強。其GUI,常用接口設計包(實際上很少,要后期才推出),SI測量非常有特點。
同步開關噪聲(SSO)和串擾分析
Hyperlyx,SQ和ICX都不能分析SSO,串擾分析功能也相當有限。這個Sigrity留下了市場機會。
Quantum-SI可以進行復雜的多板系統分析,據說能夠支持SSO,如下圖。但據我估計,其只能做到和ICX或SQ相同水平。
仿真設置
Hyperlynx最為簡單,ICX比較不方便,SQ比ICX要方便。但Hyperlyxn也有其缺點,就是測量上幾乎沒有固定的設置。這方面比較好的是Quantum-SI,如下圖,可以一次性設置多個網絡,同時內嵌了45種復雜的測量模式。這方面,SQ和ICX都不如Quantum-SI
關于具體的對比見附錄A(來自Sisoft)
總結
因此,從目前的情況看,用戶最需要的是一個時序分析和SI結合一體的工具,而且界面要優化,設置要簡單,同時需要包括Design KIT。ICX+Tau如果能夠象Quantum-SI一樣性能得到改進,那么將會受到用戶歡迎。由于Mentor具有設計前端和后端,ICX+Tau的優勢是其它工具無法取代的。