當前主流PCB SI工具的特點

2016-12-06 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

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(jīng)理了解對手產(chǎn)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(jīng)理的理解,本文沒有深入討論技術(shù)和工具細節(jié),也沒有使用專業(yè)術(shù)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(guān)鍵問題,目前的設(shè)計者基本上采用核心芯片廠家的現(xiàn)成方案,因此設(shè)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(qū)動問題、端接電阻或串接阻尼電阻數(shù)值的計算、PCB層壓結(jié)構(gòu)和特性阻抗計算,走線拓撲結(jié)構(gòu)分析。
微波段傳輸問題。即通常所稱的GHz SI。設(shè)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(lǐng)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(nèi)用戶基本上已經(jīng)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(xiàn)場調(diào)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(yōu)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(yù)測上比較方便,這是Hyperlynx的優(yōu)點。ICX其GUI上的弱點和設(shè)置的復(fù)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(shè)計者在進行。原理圖設(shè)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(nèi)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(qū)動分析。由此造成不少前期設(shè)計的PCB因為器件廠家的替換,引起系統(tǒng)工作異常而重新設(shè)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(fā)生過多次。

時序問題,目前國內(nèi)用戶基本沒有掌握。少數(shù)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(shù)手工填寫到Excel表中去計算是否最終設(shè)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(shè)計者和PCB布線設(shè)計者都很難從芯片數(shù)據(jù)單中讀懂時序。許多時候,由于錯誤的約束造成了設(shè)計的多次反復(fù)。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(fù)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(nèi)用戶短時間內(nèi)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(jié)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(shù)轉(zhuǎn)換回時域工具支持的表格參數(shù)的快速仿真功能。Hyperlynx和ICX處理S參數(shù)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(jié)構(gòu)3D提取只有依靠3D場,另外必須考慮多板系統(tǒng)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(fā)表論文均是和此相關(guān)的。雖然如此,對于普通的系統(tǒng)設(shè)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(shè)計和系統(tǒng)可應(yīng)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(shù),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(shù)使得可以為HSPICE等時域工具接受(幾乎HFSS參數(shù)提取的所有S參數(shù)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(shù)專家級工程師才有能力,因為工具給出的結(jié)果沒有直觀的意義,只有具有好的背景理論才能理解結(jié)果。國內(nèi)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(yè)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(nèi)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(jié)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(yīng)當能夠吸引SQ用戶轉(zhuǎn)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(yīng)該是時序分析和SI分析結(jié)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(guān)于Sisoft的背景見其網(wǎng)站相關(guān)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(yōu)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(xiàn)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(shè)置更為復(fù)雜。
時序分析能力
目前時序分析特別重要。高速PCB布局設(shè)計的本質(zhì)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(fù)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(jié)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(shù)據(jù)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(gòu)建些Tau的模型,培訓(xùn)用戶掌握Tau模型的創(chuàng)建,那么將具有明顯的競爭優(yōu)勢。這是Cadence短期內(nèi)無法趕上的。除非Cadence收購TimeDesigner創(chuàng)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(shè)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(guān)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(fù)雜的多板系統(tǒng)分析,據(jù)說能夠支持SSO,如下圖。但據(jù)我估計,其只能做到和ICX或SQ相同水平。
仿真設(shè)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(shè)置。這方面比較好的是Quantum-SI,如下圖,可以一次性設(shè)置多個網(wǎng)絡(luò),同時內(nèi)嵌了45種復(fù)雜的測量模式。這方面,SQ和ICX都不如Quantum-SI
關(guān)于具體的對比見附錄A(來自Sisoft)
總結(jié)
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(jié)合一體的工具,而且界面要優(yōu)化,設(shè)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(shè)計前端和后端,ICX+Tau的優(yōu)勢是其它工具無法取代的。

可能大家對Sisoft還不太了解,下面的鏈接里面有Sisoft在近幾年DesignCon上發(fā)表的論文,全部是Timing相關(guān)的,叢這些論文中,可以叢一個側(cè)面認識一下Sisoft的SI、Timing、SSO仿真工具:
http://www.sisoft.com/papers.asp

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才