About / Advertise
I elektronikbranschen användes ofta numerisk simulering för att undersöka egenskaperna hos en produkt. Simuleringen bidrar till en förståelse av komponenter och system som tester i laboratorier inte kan leverera – i vissa fall är det inte ens möjligt att göra fysiska tester. Däremot är det möjligt att simulera ett helt system i ett tidigt skede för att identifiera potentiella problem långt innan designen är låst. Moderna simuleringsmetoder utnyttjar avancerad datorhårdvara och nya numeriska metoder.  | Ladda ner artikeln på 540 kbyte här (länk, pdf). Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert |
SIMULERING AV PCI-EXPRESS KANALEN
PCI-Express (peripheral component interconnect express) är en standard för seriella hösthastighetsbussar som används i praktiskt taget alla persondatorer för att ansluta expansionskort och tilläggskort till moderkortet. Detta höghastighetsgränssnitt skickar digitala signaler över en rad individuella komponenter.
Signaler färdas från sändare (TX) till mottagare (RX) via kretsens kapsling, sockeln, kretskortet, kontaktdon, kort och så vidare. Varje komponent kan påverka signalen när den överförs från sändaren till mottagare. Ingenjörerna designar komponenterna med minimal reflektion och förlust för att kunna uppnå pålitlig kommunikation. För att göra detta, måste ingenjören förstå hur alla komponenterna interagerar med varandra i hela systemet.
Varje komponent har ett antal parametrar som kan justeras. En transmissionsledning på moderkortet, till exempel, har parametrar som bredd, tjocklek och avstånd till andra ledare; dielektrisk konstant för substratet; substrat-tjocklek; och tillverkningsdefekter, såsom över- och under-etsning. En annan parameter är kretskortets viastruktur som gör det möjligt för ledare att gå från ett lager till ett annat.
En sådan viastruktur med tillhörande elektriska och magnetiska fält kan simuleras med användning av Ansys HFSS. Geometrin har flertalet parametrar, inklusive substrattjocklek, dielektrisk konstant, routing konfigurering (input layer, output layer), via-tjocklek, pad-diameter, anti-pad-diameter och via stubblängd.
Med tanke på alla komponenterna i förbindningarna (se illustrationen), kan det finnas 30 eller fler parametrar som påverkar egenskaperna om alla möjliga variationer är inkluderade.
Konstruktören justerar dessa parametrar för att optimera designens egenskaper. Naturligtvis har var och en av dessa parametrar specifika tillverkningstoleranser, vilket är särskilt viktigt med tanke på att många olika leverantörer kan komma att användas för att tillhandahålla material och komponenter. Därför är det en utmaning att hitta en passande design inom designområdet som är robust i avseende av variationer och tillverkningstoleranser.
Det är lätt att illustrera det enorma lösningsutrymmet som kan utvecklas när alla parametrarna har flera värden. Till exempel, om var och en av 30 parametrarna har tre värden över en viss fastställd räckvidd, då får man totalt 330 möjliga kombinationer, vilket är mer än 200 biljoner! Det är inte möjligt att mäta alla kombinationer.
Även kraftfull simulering kan inte nå komplett täckning av ett sådant enormt lösningsutrymme. För att adressera detta problem, kan en populär teknik användas, som använder ”design of experiments” (DOE) och responsytemodellering. Responsytemodellering gör det möjligt för designern att modellera och överväga alla aspekter av en höghastighetsbuss genom att anpassa en statistisk modell av resultatet från simuleringen som en funktion av växlingar i ingångsvariabler.
En DOE-tabell används för att välja ut designpunkter som ska lösas för att bygga den statistiska modellen. Optimerade villkor och worst-case scenarios kan uppnås inom alla möjliga designkombinationer.
SIMULERINGSPROCEDUR FÖR DOE
Applicering av DOE-metoden på detta exempel:
1: Koppla samman PCI Expresskanalen genom att använda ett systemnivå-simuleringsverktyg (Ansys DesignerSI). Länka denna kanal till elektromagnetisk modell för alla komponenter (BGA, kontaktdon, mönsterkort, etc).
2: Välj variabler för DOE-studien och tillhörande mätbara resultat. I detta fall är det ett ögondiagram med höjd och bredd.
3: Starta Ansys DesignXplorer och ställ in variabelräckvidden.
4: Skapa en DOE-tabell i DesignXplorer. Tabellen överförs sedan till DesignerSI, och hela den parametriska simuleringen genomförs. Den distribuerade lösningsoptionen (DSO) accelererar simuleringar genom att köra flera parametrar samtidigt på ett datakluster.
5: Kretssimuleringsresultat från DesignerSI överförs tillbaka till DesignXplorer. DesignXplorer producerar en statistisk responsytemodell. Grader med känslighet och sex sigma-beteenden kan analyseras.
I detta exempel använde konstruktören DesignXplorer för att skapa en DOE-tabell som begär 2001 oberoende simuleringar för att köras i DesignerSI åt PCI Express-kanalen. För var och en av dessa 2001 simuleringar, valdes parametrar inom givna gränser, specificerad av användaren, men de unika kombinationerna av dessa parametrar skapades automatiskt av DesignXplorer för att få fram statistiskt oberoende resultat. För att lösa dessa parametervariationer effektivt, användes DSO med Ansys Designer. Åtta parallella lösningar kunde genomföras samtidigt då beräkningsmaskinens alla åtta kärnor kunde nyttjas.
En användbar grafisk teknik är att använda DesignerSI för att producera ett ögondiagram av den signal som observeras vid mottagaren. En lång sekvens av digitala signaler skickas av sändaren med förekommande switchförlopp som representerar en digital etta eller nolla. Genom att överlagra dessa simulerade switchförlopp, den ena ovanpå den andra, kan ett ögondiagram skapas. Ett öppet öga med stor ögonhöjd och bredd är en indikation att en mottagen signal kan detekteras tillförlitligt. Ett stängt öga innebär det motsatta.
Ögondiagrammet representerar PCI Express-kanalens beteende när ett stort antal bit-sekvenser har skickats genom kanalen. Det visar också resultatet av att variera en undergrupp av de 30 parametrarna över de 2001 tester som skapats i DOE-tabellen. En del kombinationer av parametrar resulterar i ett väsentligt stängt öga, vilket indikerar i sin tur en dålig parametervariation. En komplett responsyta för ögonhöjd och bredd kan genereras vilket ger ingenjören information om vilka parametrar som har de största positiva eller negativa effekterna på prestanda. Konstruktören kan erhålla DOE-resultat till flera betydelsefulla parametrar i PCI Express sammanbindnings-simuleringar. Ledningslängden på periferikortet hade den största negativa verkan på ögonöppningen, följt av ledningslängden på huvudkortet. Konstruktörer kan använda denna analys för att upptäcka de väsentligaste parametrarna för systemprestanda. I detta fall skulle denna design förbättras genom ett mer noggrant val av design för perferikortet och/eller material för att minska förlusterna.
SIMULERINGSDRIVEN DESIGN
Avancerad numerisk simulering tillsammans med effektiv beräkning gör det möjligt att simulera kompletta produkter och att fullständigt utforska designområdet, som med snabba seriella bussar. Simuleringen gör det möjligt att skapa en virtuell prototyp av systemet så att analys, parametriska variationer och optimering utförs innan det är dags för kostsam och tidskrävande prototyptesting, laboratorietesting och produktion.
Tidigare kunde simuleringar endast stödja ett en parameter, en enda användare, en enda komponent, och endast ett fåtal designpunkter. Med dagens effektiva datorer och mjukvara är det möjligt för en metodbaserad och simuleringsdriven produktutveckling att inkludera flera parametrar (multifysik), krets- och systemsimuleringar, multianvändare och flerskaliga simuleringar med parametrisk optimering och designutforskning.
