高速互连解决方案的深度通道分析

作者:Scott McMorrow,Signal Integrity Group首席执行官;Matt Burns,美国新奥尔巴尼市Samtec公司产品市场营销经理

数据中心服务器、存储器和网络设备通过铜和光纤组件通信,而连接这些组件的连接器的传输速度日益提高。Samtec利用ANSYS的综合仿真软件,设计和优化旨在覆盖整个信号通道的新一代高性能互连解决方案。

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Samtec interconnect solutions

“利用ANSYS HFSS中的高度灵活、业界最佳的3D全波求解器,Samtec能够进行子组件和系统建模。工程师可以针对客户系统仿真执行大型连接器建模,同时提取大段封装以实现潜在问题的深度分析。”

数据至上!

用户需要随时随地实时访问个人与专业数据。二十一世纪的消费者与工作者打破传统的束缚,对移动数据的需求与日俱增。2016年年底,全球移动数据流量已经达到每月7.2EB(1EB等于10亿GB)。该数字到2021年将超过每月49EB[1]。

用户通过移动与固定网络(通过WiFi以及被称为毫微微蜂窝的低功率蜂窝基站)轻松访问移动数据的需求,给数据中心和骨干网提出了越来越高的要求。服务器、存储器、通信与网络设备等数据中心设备不断升级,以支持更高的数据速率。

数据中心设备的OEM厂商必须紧跟行业需求。目前一代的解决方案一般支持10~15Gbps的数据速率。新一代解决方案将支持28Gbps/56Gbps及以上的数据速率。在整个系统中实现高速信号路由会带来众多设计难题。过去通常是在组件级进行设计决策,而28Gbps系统工程需要对IC到IC通孔封装、PCB以及互连解决方案等整个通道进行深度分析。专为IC到电路板等全通道系统提供支持的电子互连行业服务领先者Samtec,如何实现涵盖整个高速通道的深度分析?

data center equipment

设计高速信号通道

新一代多Gbps设计需要对信号通道路径进行整体分析。研发人员不能只关注一个组件,而是必须分析并优化所有组件在整个通道中的相互作用。

通道中的每个组件都包含一些设计变量,其会影响通道中其他组件的性能。必须考虑插入损耗、回波损耗、串扰、阻抗等连接器变量。PCB设计决策包括布局、布线、材料/层压材料选择、迹线长度与阻抗匹配,它们都能够提高或降低高速串行通道的性能。连接器PCB迹线的突破区域(BOR)经常会被忽视,但是它可能会破坏设计。

设计和优化高速通道需要两个基本步骤。工程师必须为通道中的每个具体组件建立模型。合并这些组件模型即可创建通道模型,从而建立完整的系统。然后在28Gbps以上的数据速率条件下对系统模型进行仿真、建模、分析与测试。

high-speed channel components

典型的简单标准28Gbps高速通道的相关组件

 

复杂3D组件建模

通道组件是复杂的3D机械结构系统,尤其是连接器和电缆组件,它们通常需要通过行业标准MCAD工具进行机械建模。Samtec的工程师把机械模型导入ANSYS HFSS软件工具,以便利用高频电磁场分析和优化3D结构。

利用HFSS中的高度灵活、业界最佳的3D全波求解器,Samtec还能够进行子组件建模。PCB迹线、电缆、RF发射、PCB之间的复杂过渡、封装和多芯片模块(MCM)的3D结构建模能够扩展通道优化功能。

ANSYS HFSS 的高精度也能够改善通道优化。求解器精度能够达到远远低于制造容差的误差水平,从而支持构建虚拟原型。HFSS的精确度结合高性能计算(HPC)的速度与能力,可帮助Samtec提供可预测的结果,其与70GHz频率下的测量结果良好匹配。根据系统输入信息,Samtec能够调整通道变量,如:连接器BOR、通孔布局、迹线类型、制造可变性等其他因素,以促进对整个通道的准确分析与仿真。此外,HFSS 3-D Layout中面向混合平面/3D设计的HFSS求解器技术进一步发展,使Samtec工程师能够快速建立组件与PCB之间复杂相互作用的原型,从而把求解时间从数周缩短到数天、甚至是数小时。

“公司继续采用ANSYS软件缩短产品设计周期,同时扩展其功能,旨在为技术行业性能领先者提供新一代产品。”

优化IC封装与PCB

在优化信号通道时,需要优化通道中的大型集成电路(IC)封装与PCB。这些组件也会带来独特的设计挑战。优化更大型的结构系统需要更广阔的系统视图;除了高频电磁仿真与分析之外,工程师还必须考虑电源完整性、信号完整性、串扰以及IC封装与PCB的EMI分析。

Samtec采用ANSYS SIwave软件模拟和分析大型平面PCB与IC封装高速通道以及完整供电网络(PDN)。利用SIwave,Samtec能够以虚拟方式针对内部连接器测试板和客户专用应用设计电流路径,消除电流拥挤效应,以及最大限度减少IR压降。此外,Samtec还可以模拟连接器突破区域、封装与PCB中的谐振、反射、迹线间耦合、同步开关噪声、电源/接地反弹、DC电压/电流分布以及近场和远场辐射图。利用Samtec定义的“深度建模技术”,SIwave可以利用成百上千个端口的S参数在数小时内建立完整的总线与封装模型,从而使Samtec的设计人员和客户能够一目了然地发现关键信号完整性/电源完整性问题。利用在高性能计算(HPC)环境中运行的SIwave,能够轻松解决五年前无法攻克的问题。

samtec MEC5-DV connector and cable

Samtec MEC5-DV连接器与电缆组件的MCAD 3D渲染

 

全通道电路仿真

利用ANSYS HFSSSIwave建立通道模型并且描述了电磁特征之后,剩下的步骤就是全通道电路仿真。Samtec采用ANSYS Nexxim时域电路仿真引擎执行高速互连的全通道仿真。

行业标准的IBIS-AMI驱动器和接收器可用作通道信号路径的信号发射器和接收器。在结合IBIS-AMI使用时,Nexxim电路仿真器可当之无愧地作为面向高速通信通道设计的行业领先解决方案。ANSYS Nexxim电路求解器可以把IBIS-AMI模型与通道性能模型结合在一起,从而提供SerDes电路与时序分析。这种方法可以满足Samtec设计团队的虚拟时域要求。

connector-cable electric field simulation

ANSYS HFSS模拟的Samtec MEC5-DV连接器与电缆组件内部电场

 

ANSYS高性能计算选项

针对跨多个组件的完整高速通道信号路径进行仿真、分析与优化时,需要花费大量时间。Samtec利用ANSYS工具的HPC功能提高问题规模和复杂性,同时最大限度地缩短求解时间。工程师可以提高产品性能和缩短整体设计周期。

Samtec研发了适用的IT基础设施, 以全面发挥ANSYS工具套件的HPC功能。利用ANSYS工具的HPC功能对于实现规模更大、速度更快、保真度更高的仿真至关重要。与许多公司一样,Samtec在全球许多地点配备了工程与信号完整性资源、以及多核服务器与多重可扩展计算集群,从而全面发挥ANSYS工具的HPC功能。

针对ANSYS HFSSSIwave应用,Samtec利用高度并行化集群运行HFSS,使全波求解时间加快10到100倍。工程师可以针对客户系统仿真执行大型连接器建模,同时提取数千个端口的大段封装,以实现潜在问题的深度分析。

结论

Samtec面向28Gbps(及以上)通道的SI功能与ANSYS工具充分结合,能够为数据中心设备OEM厂商提供用于深度通道分析的理想平台。Samtec目前正在研发112Gbps连接器、封装与互连设计,其采用ANSYS软件缩短产品设计周期,同时扩展其功能,旨在为技术行业性能领先者提供新一代产品。

参考文献

[1] Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2016–2021 White Paper

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