Trang chủ
Xu thế Công nghệ
Thiết kế hiệu quả kênh tín hiệu tốc độ cao với phần mềm mô phỏng

Thiết kế hiệu quả kênh tín hiệu tốc độ cao với phần mềm mô phỏng

2020-09-17 ---

Theo Scott McMorrow, Giám đốc công nghệ, Tập đoàn Signal Integrity và Matt Burns, Quản lý kinh doanh, Công ty Cổ phần Samtec, New Albany, USA

Các máy chủ trung tâm dữ liệu, kho lưu trữ và thiết bị mạng giao tiếp với nhau qua hệ thống cáp đồng và cáp quang kết hợp với các thiết bị kết nối nhanh hơn. Samtec sử dụng một phần mềm mô phỏng toàn diện của ANSYS để thiết kế và tối ưu hóa các dòng sản phẩm mới của hãng với các giải pháp kết nối hiệu suất cao trên toàn bộ kênh tín hiệu.

Các chi tiết bên trong một bộ kết nối tín hiệu

"Tính linh động của bộ giải full-wave 3 chiều hiện đại nhất trong ANSYS HFSS cho phép Samtec nhắm tới cả các chi tiết phụ và mô hình hóa toàn bộ hệ thống. Các kỹ sư có thể thực hiện mô hình kết nối lớn để mô phỏng hệ thống khách hàng và trích xuất các phần lớn của các bản tin để phân tích sâu các vấn đề tiềm ẩn. "

Quản lý dữ liệu

Trung tâm quản lý dữ liệu

Các khách hàng có nhu cầu truy cập dữ liệu cá nhân và dữ liệu công việc theo thời gian thực mọi lúc, mọi nơi. Ở thế kỷ 21 khách hàng và công nhân cần được “cởi trói”, vì vậy dữ liệu di động được mong chờ. Vào cuối năm 2016, lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu đạt 7.2 exabyte mỗi tháng (một exabyte bằng một tỉ gigabyte). Con số này sẽ tăng thêm 49 exabyte mỗi tháng vào năm 2021 [1].

Nhu cầu về dữ liệu di động dễ truy cập thông qua mạng di động và mạng cố định (thông qua Wi-Fi và trạm cơ sở di động hiệu suất thấp gọi là femtocell) làm tăng nhu cầu về các trung tâm dữ liệu và mạng cơ sở. Thiết bị trung tâm dữ liệu - máy chủ, bộ nhớ, truyền thông và mạng - liên tục được nâng cấp để hỗ trợ tăng tốc độ truyền dữ liệu. Các nhà sản xuất thiết bị trung tâm dữ liệu phải thay đổi để đáp ứng kịp nhu cầu này.

Các giải pháp thế hệ hiện tại thường hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu từ 10 Gbps đến 15 Gbps, các giải pháp thế hệ mới sẽ hoạt động ở tốc độ 28 Gbps / 56 Gbps và hơn thế nữa. Việc định tuyến nhiều tín hiệu tốc độ cao trong một hệ thống gặp phải nhiều thách thức lớn về mặt thiết kế.

Trong khi thiết kế cũ được thực hiện từ cấp độ linh kiện, các hệ thống 28 Gbps đòi hỏi phải phân tích sâu toàn bộ các kênh truyền dẫn từ IC này đến IC kia thông qua các bản tin, các PCB và các giải pháp kết nối. Làm thế nào để Samtec – đơn vị dẫn đầu trong ngành công nghiệp kết nối điện tử với hệ thống hỗ trợ truyền dẫn toàn kênh từ IC đến bo mạch và hơn thế – có thể hỗ trợ phân tích sâu trên các kênh truyền dẫn tốc độ cao?

Thiết kế kênh tín hiệu tốc độ cao

Đường dẫn truyền tín hiệu

Một thiết kế thế hệ mới với kênh tín hiệu tốc độ cao, nhiều gigabit trên giây đòi hỏi một cách tiếp cận toàn diện cho đường dẫn truyền tín hiệu. Các lập trình viên không thể chỉ tập trung vào một thành phần, mà phải phân tích và tối ưu hóa sự tương tác của tất cả các thành phần trên toàn bộ kênh dẫn. Mỗi thành phần trong một kênh có các biến số thiết kế ảnh hưởng đến hiệu năng của các thành phần khác trên đường truyền.

Các biến số kết nối như suy hao chèn, suy hao phản hồi nhiễu xuyên kênh và trở kháng phải được xét đến. Các quyết định trong thiết kế PCB bao gồm cách sắp đặt, định tuyến, lựa chọn vật liệu cho các bản mạch (formica), độ dài đường mạch và phối hợp trở kháng - tất cả đều có thể tăng cường nhưng cũng có thể ảnh hưởng xấu đến hiệu năng của kênh truyền dẫn nối tiếp tốc độ cao.

Các khu vực breakout (BOR) của đường mạch PCB từ bộ ghép nối thường bị bỏ qua, nhưng nó có thể phá hỏng một thiết kế. Thiết kế và tối ưu hóa kênh dẫn tốc độ cao đòi hỏi hai bước cơ bản. Các kỹ sư phải mô hình hóa từng thành phần cụ thể trong kênh dẫn.

Mô hình kênh dẫn được tạo ra từ việc ghép nối các mô hình thành phần này để tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh. Mô hình hệ thống có thể được mô phỏng, tạo mẫu, phân tích và thử nghiệm ở tốc độ 28 Gb/s hoặc nhanh hơn nữa.

Việc mô hình hóa các thành phần của một kênh dẫn 3D phức tạp có nhiều thành phần, đặc biệt là các đầu nối và bộ ghép cáp, là những cấu trúc cơ học 3-D phức tạp mà thường được mô hình hóa trong các công cụ MCAD tiêu chuẩn công nghiệp.

Các kỹ sư của Samtec đưa các mô hình cơ học vào phần mềm ANSYS HFSS để phân tích và tối ưu hóa các cấu trúc 3- D với các trường điện từ tần số cao.

Tính linh hoạt của các bộ giải full-wave 3-D tiên tiến nhất trong HFSS cho phép Samtec nhắm đến việc mô phỏng cả các thành phần phụ rất tốt. Mô hình cấu trúc 3-D của đường mạch PCB, cáp, thiết bị khởi động RF và sự chuyển tiếp phức tạp giữa các PCB, bản tin và các mô-đun đa chíp (MCMs) mở rộng khả năng tối ưu hóa kênh dẫn.

Tính chính xác của ANSYS HFSS cũng cho phép tối ưu hóa kênh dẫn tốt hơn với mức độ lỗi thấp hơn nhiều dung sai chế tạo, cho phép tạo nguyên mẫu ảo. Khi kết hợp với tốc độ và khả năng tính toán của máy tính hiệu năng cao (HPC), Samtec tận dụng tính chính xác của HFSS để tìm ra mối tương quan có thể tiên lượng được với các phép đo ở tần số lên đến 70 GHz.

Bằng cách điều khiển các thông số đầu vào hệ thống, Samtec có thể tinh chỉnh các biến số trên kênh dẫn như bộ kết nối BOR, thông qua sắp đặt, loại đường mạch, tính biến động trong sản xuất và các yếu tố khác để điều khiển tính chính xác của phép phân tích và mô phỏng trên các kênh truyền dẫn.

Ngoài ra, những tiến bộ trong công nghệ của bộ giải HFSS đối với các thiết kế 3-D trong HFSS của các lớp 3D đã cho phép các kỹ sư của Samtec nhanh chóng tạo mẫu các tương tác phức tạp giữa các bộ phận và các PCB, rút ngắn thời gian làm việc từ vài tuần xuống còn vài ngày hoặc vài giờ.

Tối ưu hóa đóng gói IC và các PCB

Mô hình 3- D của MCAD mô phỏng lắp ráp của bộ nối và cáp của Samtec MEC5- DV

Tối ưu hóa kênh dẫn tín hiệu đòi hỏi phải tối ưu hóa việc đóng gói mạch tích hợp loại lớn (IC) và các PCB được tìm thấy trên kênh truyền dẫn. Những bộ phận này cũng rất khó để thiết kế. Việc tối ưu hóa cấu trúc lớn hơn, cần phải có một cái nhìn rộng hơn về hệ thống. Ngoài mô phỏng và phân tích điện từ tần số cao, các kỹ sư phải xem xét tính toàn vẹn công suất, toàn vẹn tín hiệu, xuyên kênh, và phân tích của các gói IC và các PCB.

Samtec sử dụng phần mềm ANSYS SIwave để mô hình, phân tích các PCB phẳng lớn, IC đóng gói tốc độ cao và các mạng phân bố công suất (PDNs). Sử dụng SIwave, Samtec có thể thiết kế các đường dẫn điện, loại bỏ hiện tượng nghẽn dòng và tối thiểu hóa sụt điện áp rơi trên các kết nối nội bộ và các ứng dụng cụ thể của khách hàng.

Samtec cũng có thể tái hiện sự cộng hưởng, phản xạ, khớp nối intertrace, nhiễu chuyển mạch đồng thời, sự phân bố điện áp / dòng điện một chiều và biểu đồ bức xạ trường gần và trường xa trong các vùng kết nối bùng phát, các gói tin và các PCB.

Sử dụng thứ mà Samtec gọi là “công nghệ mô hình hóa sâu”, SIwave mô hình toàn bộ các bus và các gói tin sử dụng tham số S với tốc độ hàng trăm hoặc hàng ngàn cổng 1 giờ để các kĩ sư Samtec và khách hàng có thể nhận biết các giới hạn của toàn vẹn tín hiệu/ toàn vẹn công suất mà không cần phỏng đoán.

Các vấn đề không thể giải quyết 5 năm trước giờ đã có lời giải với SIwave chạy trên một trường tính toàn hiệu năng cao (HPC).

Mô phỏng mạch qua kênh dẫn

Mô phỏng mạch trên toàn kênh

Trong khi kênh dẫn đã và đang được mô hình hóa và đặc trưng hóa theo tính chất điện từ trường bằng ANSYS HFSS và SIwave, bước còn lại là mô phỏng mạch trên toàn kênh. Samtec sử dụng công nghệ mô phỏng mạch điện trên miền thời gian của ANSYS Nexxim để thực hiện các mô phỏng toàn kênh của một kết nối tốc độ cao.

Các trình điều khiển và máy thu IBIS-AMI tiêu chuẩn công nghiệp hoạt động như các thiết bị truyền và nhận tín hiệu qua đường tín hiệu kênh. Khi được sử dụng kết hợp với IBIS-AMI, mô phỏng mạch Nexxim chính là giải pháp hàng đầu của ngành công nghiệp thiết kế kênh truyền thông tốc độ cao.

Bộ giải mạch ANSYS Nexxim kết hợp các mô hình IBIS-AMI với mô hình hiệu suất kênh để cung cấp mạch SerDes và phân tích thời gian. Cách tiếp cận này cung cấp miền thời gian ảo tương tích với đội thiết kế của Samtec.

Tùy chọn tính toán hiệu năng cao của ANSYS

Mô phỏng, phân tích và tối ưu hóa toàn bộ đường dẫn tín hiệu tốc độ cao trên nhiều bộ phận cần rất nhiều thời gian. Samtec tận dụng khả năng tính toán hiệu năng cao (HPC) của các công cụ mô phỏng ANSYS để mở rộng và tăng độ phức tạp của bài toán trong khi vẫn giảm thiểu được thời gian cần để giải. Các kỹ sư có thể tăng hiệu năng của các sản phẩm đồng thời giảm được chu kỳ thời gian thiết kế tổng thể trên mỗi sản phẩm đó.

Samtec đã phát triển cơ sở hạ tầng IT thích hợp để tận dụng đầy đủ các tính năng HPC từ bộ công cụ ANSYS. Sử dụng các tính năng HPC của bộ công cụ ANSYS là cần thiết để thực hiện các mô phỏng lớn hơn, nhanh hơn và đáng tin cậy hơn.

Giống như nhiều công ty khác, Samtec có các nguồn lực kỹ thuật và tài nguyên toàn vẹn tín hiệu đặt ở nhiều nơi với các máy chủ đa lõi và các nhóm máy tính đa năng mở rộng để mở khóa hoàn toàn các khả năng HPC của bộ công cụ ANSYS trên toàn thế giới.

Đối với các ứng dụng ANSYS HFSS và SIwave, Samtec tận dụng các cụm máy tính chạy song song rất mạnh để chạy HFSS và đạt được số lần giải full-wave nhanh gấp 10 lần đến 100 lần. Các kỹ sư có thể thực hiện mô phỏng kết nối lớn để mô phỏng các hệ thống khách hàng và trích xuất một phần lớn các gói tin với hàng ngàn cổng để phân tích sâu các vấn đề tiềm ẩn.

Kết luận

Sự kết hợp giữa khả năng SI của Samtec cho các kênh dẫn tốc độ 28 Gbps (và nhanh hơn) với các công cụ ANSYS cung cấp cho các thiết bị trung tâm dữ liệu của một nền tảng từ các nhà sản xuất cho các phân tích sâu kênh truyền dẫn.

Samtec hiện đang phát triển kết nối, đóng gói và thiết kế một đầu kết nối có tốc độ 112Gbps, sử dụng phần mềm ANSYS để rút ngắn vòng đời thiết kế sản phẩm và mở rộng khả năng của phần mềm này để tạo ra các thế hệ sản phẩm tiếp theo cho các công ty dẫn đầu về hiệu năng công nghệ