版主 公开课72期笔记 | 电源/信号完整性设计面临挑战，芯和半导体Notus平台来精准赋能
集微网消息，伴随着人工智能、5G、物联网、智能网联汽车等新兴市场快速发展，高速高频系统中的信号、电源、电磁兼容等新型问题愈加凸显，为了设计出在功耗、性能、可靠性等方面都满足目标的产品，就需要针对电源、信号完整性进行全方位评估。
由于不断提高的数据速率和不断减小的布线面积，高速电源和信号分析变得越来越具有挑战性。随着工作电源电压不断下降，电流不断增加，电源完整性和热分析是确保电子产品质量的关键。另外，在设计过程中需要分析的信号越来越多，比如在保证质量的前提下快速分析信号质量，对高速信号互连进行建模，这些对EDA产品及相关解决方案提出了更高要求。
作为国内EDA行业的领军企业，芯和半导体科技（上海）股份有限公司（Xpeedic，简称“芯和半导体”）通过自研多物理仿真引擎技术，提供覆盖IC、封装到系统的全产业链高速高频仿真EDA解决方案，可满足高速链路中不同应用场景的设计要求。
12月28日，集微网举办了第72期“集微公开课”活动，芯和半导体资深技术支持专家王国栋进行“芯和电源、信号完整性及电热协同仿真解决方案，使能高速板级设计”的主题分享，详细介绍了电源完整性设计与挑战，电源完整、电热协同国产EDA解决方案以及国产EDA信号完整性解决方案。
高速率小型化电源/信号完整性的设计面临诸多挑战
随着高电流密度、低工作电压的高速数字系统发展趋势，对于负载芯片的电源纹波规格要求更加严格。而信号快速切换引起的平面电压波动和高功率器件工作引起的温升效应皆会导致芯片供电不稳定和信号噪声过大。因此在板级系统设计阶段进行电源完整性分析至关重要。
“电源完整性设计主要是为芯片提供干净稳定的电压，把负载芯片电源波动（DC&AC）控制在芯片SPEC内，同时避免电源噪音干扰信号。”芯和半导体资深技术支持专家王国栋表示。
当前的系统向着低压大电流、高密小型化、高速高带宽的趋势演进。低压大电流带来的电源通道压降增大、芯片可容忍压降变小，使得对目标阻抗设计要求变得更加严苛；高密小型化引起的布线通道有限、去耦电容数量受空间限制、发热问题等；高速高带宽引起的高速信号速率提升、对电源噪声更加敏感等问题，都对系统的电源完整性提出了更高的要求。
王国栋进一步表示“电源网络不仅仅为芯片供电，还是信号的返回路径，噪声会通过寄生参数耦合到信号网络。大量信号同步翻转形成SSN，SSN反过来会影响信号质量。同时，随着单板设计的复杂化和小型化，尤其是存在高功耗器件的时候，电热耦合的影响需要考虑进来。”
当前，针对电源完整性（PI）的评估测试手段有限，传统通过经验判断已经不再适用，特别是缺少对封装、DIE 上PDN模拟测试手段。因此，更需要进行PI仿真和精细化设计，优化滤波电容方案和布局，同时规避电磁干扰。
在高速信号完整性（SI）设计面临挑战方面，王国栋在分享中，以DDR设计挑战为例，他指出，从DDR3到DDR5，数据速率从1.6G提升到6.4G,增长了4倍。同时，工作电压从1.5V降低到1.1V。由于DDR信号较多，走线较为密集，随着信号速率的增加，传输线之间的串扰也会随之增加数据信道、地址信道互相耦合严重，最恶劣情况的眼图难以通过测试获得。
DDR信号完整性设计也是越来越难，过去采用测试和经验设计的方法不再适用。这使得SI工程师需要更多依赖仿真与测试相结合，才能更高效、准确的解决一系列DDR相关信号完整性问题。
信号完整性、电源完整分析和热分析的EDA平台Notus来赋能
对此，芯和半导体可提供包含前仿真、后仿真、有源信号分析、一致性测试等在内的高速链路SI/PI综合解决方案，并推出了SI/PI仿真平台——Notus。
芯和半导体资深技术支持专家王国栋表示，Notus提供一整套仿真流程，通过多种电磁仿真算法提供包括电源DC\AC分析、去耦电容优化、信号拓扑提取、互连模型提取和热分析等多个场景应用的完整仿真流程，解决信号完整性、电源完整性、热和应力等方面的问题，帮助设计师轻松分析和设计合格的电子产品，并满足电源系统和信号互连的要求。
具体来看，PI分析主要是为设计者提供DC直流压降、AC频域阻抗、ET电热协同的仿真分析流程；SI分析主要提供S参数提取和低速拓扑仿真两个分析流程。同时，Notus支持全面的复杂结构，如堆叠die、多板仿真、常见的所有封装结构等。目前，Notus在客户端使用的应用场景有FCBGA、FCCSP、HBPOP、FCLGA、WBBGA、INFO、WLCSP、SIP、PCB等。
Notus基于芯和半导体强大的电磁场和多物理仿真引擎技术，功能强大、易于上手，降低了用户的使用门槛；其丰富的结果和基于layout的彩图显示和热点指示，可方便用户迅速定位问题；可帮助设计者获得去耦电容组合最佳化方案，达到物料成本、产品性能和生产良率之间的最佳设计平衡点。
最后王国栋总结表示，随着高速率、小型化数字系统的快速发展，电源完整性与信号完整性的设计面临着越来越多的挑战，所以在设计的过程中需要精细化的仿真，以增加设计的健壮性。芯和半导体Notus是完善的PI/SI仿真平台，可以用于PCB和PKG的DC压降仿真、电源PDN阻抗仿真、电热协同仿真、信号完整性仿真。实现去耦电容方案优化，降低电源噪声，降低成本等。
在王国栋看来，电源/信号完整性方面的仿真分析工具已经发展到相对成熟的阶段。目前芯和半导体Notus作为国内首款覆盖电源、信号、热等多物理场的仿真平台，能精准助力高速数字系统设计。
据了解，Notus达到了高速设计领域国际前沿水平，为国内外封装、板级和系统设计公司的设计赋能和加速，已被多家领先的系统设计公司采用来设计他们下一代面向数据中心、5G通讯和物联网市场的电子产品。
通过不断地技术创新，芯和半导体的EDA产品以系统分析为驱动，从芯片、封装、系统到云端，成为国内覆盖半导体全产业链的设计仿真EDA公司，未来，芯和半导体也将继续创新助力国内半导体设计产业的蓬勃发展。
