高效的网络设备高速互连仿真解决方案

随着网络设备带宽的增加，PCB设计越来越精细化，设计师面临的设计挑战也越来越多：

如何快速创建过孔、传输线、连接器等互连结构的3D模型来优化仿真？

高密度布线引入了串扰问题，如何实现快速评估PCB全板串扰？

为满足低功耗的性能需求，芯片工作电压越来越低，如何在低工作电压、低噪声裕量条件下满足电源完整性要求？

在高带宽设备中，PAM4编码越来越普及，PAM4编码对通道的要求极其严苛，频域和时域指标更加丰富，如何实现快速全面的进行通道分析？

市场概况

网络设备是指构建整个网络所需的各种数据传输、交换及路由设备，主要包括交换机、路由器、无线接入点和光缆等。网络设备是新型基础设施建设的重要组成部分，作为硬件基础设施体系支撑大数据、人工智能、工业互联网等领域的上层应用。近年来我国网络设备市场规模整体呈增长趋势，且增速高于全球市场。根据IDC数据统计，2017年以来，我国计算机网络设备市场规模平稳增张，2020年计算机网络设备市场规模为87.9亿美元。 目前，交换机和路由器仍是我国计算机网络设备市场主要组成部分，据IDC统计数据显示，2019年，我国交换机市场规模为40.1亿美元，占计算机网络设备总市场规模的47.2%;路由器市场规模为36.4亿美元，占计算机网络设备总市场规模的42.9%。 经过多年发展，国内网络设备行业竞争格局已较为稳定，主要企业包括思科、Arista、华为、新华三、中兴通讯等企业。 以太网交换机和路由器系统设计挑战

1 网络设备带宽的提升引入复杂的电磁环境

5G加速商用，同时伴随着云计算、人工智能、物联网、大数据等新兴技术的深入发展，进一步推动了数字化进程与万物互联的社会雏形出现。在万物互联的世界里，网络规模在迅速扩张，多样化的数字化应用带来了数据洪流。各大网络设备设计和制造厂商想方设法提高信道带宽来实现从200G、400G到800G的扩容。单通道信道的速率从25Gbps向56Gbps、112Gbps演进，维护信号完整性变得越来越困难，任何一个优化细节都不能放过，过孔、传输线、线缆、耦合电容等无源结构都需要花费大量的时间去仿真优化。

2 高密度布线带来严重的串扰问题

在网络设备产品中，背板的应用非常普及，为了解决端口速率提升与背板损耗增加的矛盾，越来越多的厂商在网络设备中采用正交架构，相对于传统背板，正交架构大大缩短了线卡与交换网卡之间的传输线距离，也有部分厂商引入了无背板的正交直连架构，采用线缆替代背板互连。互连结构的多样性导致通道间的耦合更加复杂，如何快速精确对整板做全面的串扰分析是当前信号完整性仿真分析工作中面临的一大难题。

3 芯片工作电压种类多且噪声裕量低境

当前产品不断向低耗电发展的趋势促使高性能IC采用多电压幅值，且有些工作非常低。由于更低的工作电压，噪声裕量都非常小，这就需要在PCB上建立许多电源供应结构，也需要非常纯净的电源。电源种类的增加和噪声裕量的减小都会给系统电源完整性带来严峻的挑战。

4 加工偏差、工作环境的变化

常见加工偏差：传输线的层偏、孔偏、粗化、蚀刻、压合、流胶等，这些偏差会造成信号通道的损耗增大，噪声增加，最终可能导致设计失败。另外，网络设备的工作环境复杂多样，温度和湿度的变化也会导致板材参数的变化，从而导致产品性能发生偏移，严重时会导致信号失真。优秀的系统设计需要综合考虑各类偏差的影响，采用统计学的方法分析通道的均值、最优值和最差值。 综上所述，在以太网交换机和路由器产品设计中设计师会面临带宽提升引入的复杂电磁场问题，高密度布线带来严重的串扰噪声问题，芯片工作电压种类多且噪声裕量较低的问题，以及加工偏差和工作环境变化导致信号失真的问题。接下来，我们将为您介绍芯和以太网交换机和路由器系统电磁仿真解决方案是如何应对上述难题的。 芯和半导体以太网交换机和路由器系统 电磁仿真解决方案

一、丰富多样的三维组件建模仿真

1 高速链路中过孔快速建模与分析

随着网络设备中的接口速率向56Gbps、112Gbps演进，信号对链路中阻抗不连续的位置变得越来越敏感，设计师在设计时也需要做的越来越仔细。链路中常见的阻抗不连续位置有换层孔、BGA Fanout、背板连接器Fanout、金手指连接器Fanout、AC耦合电容Fanout等，在产品预研阶段、设计前期，信号完整性工程师都需要对这些结构的Fanout过孔做详细的建模和分析，过孔分析时需要考虑的三个方面：

一是过孔的残桩（Stub）长度

二是过孔的大小和位置等参数

三是回流地孔的数量和位置

芯和半导体的ViaExpert工具完美地将上述考虑因素和建模流程结合在一起，并充分发挥了ViaExpert集成了大量模板的优势。如下图，用户可以直接调用模板修改几何参数，就可以随意创建Fanout过孔三维模型，而且可以根据设计需求将优化项设置为变量进行参数扫描分析。

2 高速链路中传输线快速建模与分析

高速链路设计中，控制传输线的特性阻抗是保证信号完整性的基本要求。常用的传输线有微带线、带状线和共面波导等，此类传输线的阻抗计算有很多工具都可以实现，比如Polar SI9000、ADS等，但是在以太网交换机和路由器产品中，仅仅满足普通传输线的阻抗设计还远远不够，随着信号速率的提升，因为控制差分对内和对间的等长而出现的蛇形走线也需要进行3D建模分析，通过仿真进一步分析怎样的蛇形线既能满足等长要求，还能获得最好的传输性能。 玻纤效应对信号完整性工程师来讲是一个再熟悉不过的名词，玻纤效应——PCB介质层是由环氧树脂与增强材料玻纤布构成，玻纤布经纱与纬纱交织的间隙导致介质层相对介电常数局部变化的现象称为玻纤效应。该效应对高速信号产生的影响主要体现在传输线阻抗波动和差分Skew两个方面。对玻纤效应进行建模分析也是以太网交换机和路由器产品再预研阶段必不可少的环节。 芯和半导体的TmlExpert工具可以协助工程师不仅完成普通传输线的阻抗设计和损耗评估，还可以用来做蛇形线、玻纤效应的建模分析。

3 基于实际版图文件导入建模和仿真分析

在PCB版图画好以后，通常会将导入版图导入EDA软件进行建模仿真，这种方式的仿真场景会更加符合信号的实际工作场景，有时候为了得到更加真实的评估结果，还会将封装版图和PCB版图导入到一款工具中做联合建模和电磁场求解，如此复杂的仿真结构，必须采用全三维仿真引擎来计算才能模拟出精确的结果。 芯和推出的3D电磁场求解工具Hermes 3D可兼容市面上大多数版图文件格式导入，且集成FEM3D求解引擎，工程师可以轻松仿真封装版图、PCB版图或者封装和PCB叠加的版图，仿真完成之后，通过S参数和电磁场分布云图来分析信号的质量。

二、高密度布线所引入的串扰噪声分析

由于高速PCB的高数据速率和紧密耦合布线，串扰分析在高速PCB设计中变得越来越重要。传统的基于电路的分析方法不能满足精度要求，三维（3D）全波电磁求解器需要捕获复杂的三维PCB电磁环境，然而，仿真实际大规模PCB板子，时间成本和硬件资源成本都是非常昂贵的，而且所得到的s参数不能直接用于量化串扰水平。在这种背景下，工程师需要一种全新的求解技术，能够平衡仿真精度和仿真效率，能够在几个小时时间内得到串扰评估结果。 芯和半导体的Heracles工具提供了一种新的混合求解技术，提高了求解速度和精度。再利用s参数后处理开发了用于量化串扰水平的新的串扰度量标准。结合这两种技术，设计人员可以在几个小时内使用该工具实现全板串扰扫描和量化，这大大减少了投板前的审查时间，使得工程师可以及时优化布局布线。

三、电源完整性解决方案

低压低功耗应用日益普及，芯片工作所要求的电源噪声裕量随之减小，PCB设计时保证洁净的工作电压也是PCB设计时的重要工作。 芯和半导体的Hermes PSI工具是一款可以做电源完整性分析、信号与电源协同分析、电热协同分析的仿真平台。用户在这款工具中可以导入板级和封装设计文件，实现Die到电源模块端到端的电源完整性频域AC阻抗分析、DC压降分析、时域纹波噪声分析。Hermes PSI为设计者提供最具竞争力的电源完整性解决方案。

四、通道分析解决方案

通道分析是信号完整性分析的终极大招，产品设计者使用电磁场仿真工具提取了所有无源通道的S参数，接下来需要做全链路的无源评估，评估的指标多种多样，一般包括IL、RL、NEXT、FEXT、SCD、ILfited、ILD、ICN、COM等指标，但是很多无源指标需要编辑复杂的计算公式，这要求使用者有一定的数学基础和写代码的能力。 芯和半导体的ChannelExpert集成了所有无源指标的算法和种类丰富的协议规范，省去工程师写代码和编辑公式的时间，用户可以直接做全面的无源分析，另外，ChannelExpert在做无源分析时还可以让用户设置参数化扫描，用来评估加工工艺偏差和工作环境的变化所带来的影响。

此外，ChannelExpert还内嵌了时域仿真器，可以便捷的实现复杂环境的IBIS-AMI模型仿真。

总结

本文介绍了以太网路由器和交换机产品高速互连设计中面临的多种挑战，即带宽提升引入的复杂电磁场问题，高密度布线带来严重的串扰噪声问题，芯片工作电压种类多且噪声裕量低的问题，加工偏差和工作环境变化导致信号失真的问题。芯和半导体针对这些挑战，提出了高效的网络设备高速互连仿真解决方案，设计者可以轻松实现复杂多样的三维组件建模仿真、全板串扰快速扫描和定量分析、电源完整性仿真优化、高速串行通道仿真优化等应用，帮助设计者降低了设计冗余，规避潜在风险，缩短了产品开发周期。

文章出处：【微信公众号：Xpeedic】

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