Ansoft創始人：如何通過電磁場仿真由內而外顛覆SI？
來源：ANSYS白皮書
翻譯：上海安世亞太
前言
DesignCon是芯片、封裝和系統級高速電子領域首屈一指的會議。每年在硅谷中心舉辦一次，匯集了頂尖的設計工程師、研究人員和引領電子前沿的行業高管。在這次會議上，Ansoft公司（2008年被Ansys收購）的創始人、IEEE的終身研究員Zoltan Cendes博士就如何通過電磁（EM）場仿真由內而外的顛覆信號完整性（SI）的問題發表主題演講。
由內而外
那么，由內而外的將信號完整性仿真徹底顛覆到底意味著什么呢? 現代仿真的前景是基于物理的求解器，并且由電路和系統仿真支持，而不是通過相反的方式。所有的電子設計從根本上都是基于麥克斯韋Maxwell方程組的，因此，要對高性能系統進行精確仿真，最嚴格的方法自然就是直接求解這些方程組。在過去，電子產品的精密程度和速度都不足，無需求解完全耦合的麥克斯韋方程組(我們稱之為“全波”場解)，我們也沒有計算機能夠解決這些巨大問題。傳統的電子設計驗證主要依賴于像SPICE這樣的電路仿真器。只有設計的孤立部分使用電磁學建模。通常采用近似的、準靜態的查表方法來提取寄生參數。我們使用電路仿真、準靜態解決方案和混合方法來進行信號完整性設計。
電磁仿真現在已經發展到可以從一個板設計仿真到仿真整個電子系統的程度。先進的數值方法、高性能計算和自動化處理大量EDA數據集的新技術實現了這一轉變。甚至可以將電磁分析與多物理場仿真相結合，這樣設計者就可以評估熱應力和機械應力效應的影響。
電磁場仿真是電子設計的重要組成部分，電磁現象直接導致了電源和信號完整性問題。構建原型是不切實際的，而且在設備建成后修復問題的成本過高。
Ansys所追求的策略是以電磁仿真為主，電路分析支持電磁解。為了實現這一目標，增加了新的軟件功能，使工程師能夠直接從Ansys HFSS和Ansys SIwave中的布板進行瞬態電路分析。其理念是將IC封裝、插座、印制電路板、連接器和電纜“組裝”成一個電子系統，就像在現實世界中一樣，然后使用適當的技術對該系統進行分析。結果就是I/O波形和眼圖，就像您在實驗室里可能測量到的那樣。由于系統的電磁行為已經得到了嚴謹高效的解決，信號完整性設計工程師得到了精確的結果來發現設計是如何執行的。Ansys的策略是使用Ansys HFSS和Ansys SIwave全波電磁場求解器求解“大型電磁”系統。采用精確的互連線全波模型，通過電路仿真求解隔離非線性驅動和接收電路。因此物理是主要的，電路是次要的。這就是“由內而外”的含義。這個新時代允許電路和系統分析成為更廣泛的基于物理的組裝解決方案的一部分。依靠我們的PCB解決方案，我們可以自動化大部分過程。
為何電磁仿真至關重要
工程師們多年來一直依賴于電路級仿真。通常，他們使用Synopsys HSPICE?進行信號完整性瞬態解決方案和射頻仿真方法，如用于無線和微波的諧波平衡。電路分析是電氣工程設計的基礎，對我們的工藝至關重要。我們繪制了一個包含無源和有源元件模型的原理圖，然后列出并運行直流、線性、暫態或頻域行為的仿真。通過應用基爾霍夫定律，所有元件在電路節點上耦合在一起，從而可以分析這些節點上元件之間的相互作用。有些組件需要更專業的模型，如傳輸線、PCB上的網絡、連接器或微波濾波器。例如，hspice w-element用于傳輸線和網絡，并可接受S參數模型用于連接器等其他組件。
當數據速度和頻率增加到超過模型的適用范圍時，或者當模型沒有考慮到組件之間的耦合時，就會出現困難挑戰。考慮到一個擁有數千個網絡和數百個組件的復雜PCB印制電路板。我們能否將系統劃分成成千上萬個單獨的網絡模型，并知道它們之間的耦合發生在哪里？哪些耦合是重要的，哪些是我們可以忽略的？如果我們知道這一點，那么我們可能一開始就不需要執行仿真！我們只需在仿真之前糾正布板中的所有耦合問題。
從20世紀80年代開始，電磁仿真器被引入來創建復雜耦合行為的模型。我們不是測量連接器的性能或其下的逸出路徑，而是運行電磁仿真來提取用于電路仿真的S參數模型。
這種方法可以很好地解決孤立的電磁問題，并已被用于設計無數的高速網絡和無線系統。隨著開關速度、頻率和布局密度的增加，越來越多的系統需要電磁仿真。很明顯，系統諧振對于預測電源完整性和EMI/EMC非常重要。對于這些影響，電路仿真不能提供任何補救措施；其行為取決于PCB的物理尺寸和形狀。較大的PCB在較寬的頻帶上有更多的諧振。
如何知道這些諧振中的一個何時被基板輻射，然后導致系統在EMC室中超標？單靠電路仿真是不行的。
20世紀90年代末，我們開始討論全系統電磁學的問題，簡單地將一個復雜的PCB傳遞給Ansys HFSS以提取所有電磁效應是非常好的，但當時的計算機和算法無法處理大規模的仿真。要解決單個PCB電路板的問題，就需要幾十千兆字節。
相反，Ansys (Ansoft)和其他公司開發了專門的“混合”電磁求解器(Ansys SIwave)，可以自動組合傳輸線的電路模型、層間通孔和電路板諧振模型，以捕捉整個PCB系統的行為。這是一個重大突破，使工程師能夠快速、高效地對信號、電源完整性和EMI進行建模。Ansys HFSS和Ansys SIwave同時存在于設計工程師的工具箱中，能夠分別對要求如此嚴格的結構進行非常詳細的全波分析，并對基于PCB的大型系統進行全系統分析。HFSS和SIwave通常用于提取電子和微波電路中的無源結構，并將結果連接到電路和系統級仿真以處理非線性和系統行為效應。
新的建模和算法
快進到今天。如果現代電磁仿真技術和大規模、高性能計算(HPC)能夠用HFSS全波精度處理整個PCB的仿真，情況會怎樣？如果您能在合理的時間內完成，那何樂而不為呢？沒有理由嘗試使用傳輸線模型或帶有行為模型的過孔來建模網絡。您只需將整個系統呈現給EM求解器并運行仿真即可。不需要考慮包含哪個耦合；不用擔心電路板的切割會給仿真模型設置人為的邊界條件，從而改變結果。今天，新的算法、自動化和高性能計算HPC技術在使之成為可能。
例如，幾年前Ansys在HFSS中引入了一種新的幾何建模范式。自成立以來，HFSS一直基于3-D機械CAD（MCAD）接口。模型是使用三維圖元（如矩形棱柱、圓柱體和球體）以及平面的薄板曲面創建的。這種模型適用于波導管、外殼、天線和車輛。
任何PCB都必須按照3-D圖元重新創建，從而創建一個非常大的MCAD模型，以支持數千個網絡。為了解決這一問題，Ansys創建了一個基于PCB或封裝的建模器，該建模器建立在電氣CAD(ECAD)結構上，如層堆疊、網、通孔和焊盤。實際上，系統中內置了一個底層電子數據庫(EDB)，以支持ECAD數據的高效和參數化建模。使用這個數據模型和設計范例，與Cadence、Mentor、Zuken和其他EDA布局工具的鏈接變得很自然。因此HFSS固有地有兩個幾何建模器：MCAD和ECAD。這使得工程師能夠將MCAD和ECAD組合在電子組件中，以支持例如放置在ECAD PCB布局上的3-D MCAD連接器。
用ECAD進行電子建模對于仿真來說有一些非常顯著的好處。憑借更加簡化的ECAD，我們不僅有更大的處理設計中數千條走線traces的能力，還“知道”網絡、電源/接底層、過孔和焊盤堆棧之間的差異。我們可以將這些信息傳遞給求解器，以便使用新技術以智能的方式處理。其中一項新技術就是我們的Phi網格引擎。Phi mesher是專門設計用來處理電路板數據的。MCAD模型之前可能需要一個小時才能實現網格化，現在可以在幾分鐘內產生相同的結果。然后，我們運行HFSS，使用其傳統的自適應過程來收斂于正確的解。
Ansys HFSS使工程師能夠將3-D連接器與PCB布局結合起來，解決連接到PCB電路板上的連接器問題。
了解更多關于ECAD設計的知識，也有助于實現分析自動化并加速仿真。例如，每當添加端口時，HFSS中的仿真時間就會增加。每個雙端SMT設備就像系統中的電容器一樣，需要在HFSS模型中添加兩個端口。復雜的系統可能包含數百個這樣的組件，因此傳統上需要數百個端口。HFSS的最新進展極大地提高了處理具有數百個端口的模型的速度；在典型情況下，仿真可以加速20倍或更多。另一種方法是將設備的S參數表示合并到HFSS系統矩陣中，從而消除對端口的需要。作為一個額外的好處，模型的示意圖被大大簡化。通過保留ECAD表示，我們可以將SMT、連接器、柔性電路板和其他組件放置到一個組裝中。我們知道在哪里放置它們，以及哪些引腳需要連接到特定的焊盤。當我們將設計簡化為傳統的MCAD模型時，這些信息就丟失了。
想象一下在PCB上添加一個32-pin連接器的情況。在純粹基于示意圖的流程中，我們必須提取HFSS中連接器的S參數，然后將S參數黑盒的black-box 放入示意圖中。然后我們必須在原理圖中建立64個連接；連接器中的每個導體都有一個輸入端和一個輸出端，因此必須連接64個單獨的節點。現在考慮一種ECAD加MCAD的裝配方法。只需選擇連接器的MCAD模型，將其正確定位，然后將其放置到電路板上。復雜的后臺算法自動進行電氣連接，而無需用戶在原理圖上進一步輸入。這是一個巨大的時間節省，還可以防止無意中的錯誤。更重要的是，我們可以在布局中編寫該功能的腳本，并使流程自動化，以匹配任何組織的工作流，從而使其更加簡單。例如，可以通過使用SIwave提取PCB來進行仿真；然后使用線性電路仿真來完成連接器與PCB的級聯。如果最終的全波驗證需要，一個簡單的菜單選擇就會告訴系統改用HFSS來劃分網格和求解整個組件（沒有線性電路級聯）。
高性能計算
由內及外地顛覆SI（信號完整性）仿真的一個主要促成因素是先進的高性能計算。有了正確的數值程序和算法，就有可能利用大型計算集群來加速求解，解決更大的問題，并掃描頻率和參數。HPC高性能計算可使許多設計變量的3-D全波仿真既實用又有效，從而為優化設計和提高其可靠性提供了可能。
最新的技術之一是分布式自適應網格劃分。這是自HFSS最初發布以來對自適應過程最根本的改變。HFSS一直使用一個中心的、用戶自定義的頻率作為自適應解決方案，然后使用各種頻率掃描方法來獲得寬帶響應。頻率掃描方法使用來自該單一頻率的自適應和收斂網格來計算所有其他頻率下的系統響應。多年來，用戶可以在一個頻率上收斂，然后使用“非獨立網格dependent mesh”設置進一步適應另一個頻率，但這是一個手動過程。新技術可以在多個頻率自動調整網格。使用“寬帶自適應網格劃分”，頻率選擇可以完全自動完成，或者使用“多頻率自適應網格劃分”，在用戶定義的頻率下完成。
使用高性能計算可以大大加速這些頻率掃描。我們最近增加了兩個新功能:分布式頻率掃描和S矩陣S-Matrix-only求解器。第一種方法利用消息傳遞接口(MPI)在集群中的節點上分布多個頻率點。用多臺機器求解單個頻率點可以使速度與節點數成線性比例。第二種是S-Matrix-only求解器，當S參數是唯一感興趣的量時非常適用。如果不需要EM電磁場，我們可以通過不求解EM電磁場來實現可觀的計算收益。對于不需要顯式檢查所有頻率下的字段的問題，由于高效的硬件利用率，這將大大減少使用的內存并加快求解的速度。
工程師必備
- 項目客服
- 培訓客服
- 平臺客服
TOP
