SIwave與Sigrity在信號(hào)完整性方面的對(duì)比

目錄

1、基本情況介紹

2、仿真流程對(duì)比介紹

2.1、視圖上的差異

2.2、仿真結(jié)果處理的差異

2.3、預(yù)處理方面差異

2.4、驅(qū)動(dòng)碼型差異

3、結(jié)果對(duì)比

3.1、讀操作

3.2、寫操作

4、模型的處理

4.1、IBIS模型

4.2、S參數(shù)模型

5、報(bào)告生成

6、總結(jié)

高速信號(hào)仿真工具眾多，有較大用戶群體的主要有Sigrity，Siwave，Hyperlynx，ADS，CST等。每個(gè)工具背后都有自己的黑科技加持，整體上都在朝著更準(zhǔn)確、高效、便捷的目標(biāo)發(fā)展。

本文對(duì)比了Siwave和Sigrity在SI仿真上的差異，對(duì)于新手用戶來說，可以選擇其中易于上手的一個(gè)。作者本人對(duì)Siwave更為熟練，Sigrity只是作為日常對(duì)比參照，且水平有限，其中有理解錯(cuò)誤的地方，歡迎專家老師指點(diǎn)。同時(shí)，仿真用到的圖紙文件也會(huì)放在文章末尾，歡迎各位下載學(xué)習(xí)。

1、基本情況介紹

本文仿真對(duì)象為恩智浦公司官網(wǎng)的i.MX8QXP開發(fā)板。（i.MX 8處理器家族高度集成，是英飛凌公司的一款非常具有代表性的產(chǎn)品，其廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，智慧城市，智能家居和汽車電子等領(lǐng)域，可支持圖形、視頻、圖像處理、音頻和語音功能，能夠滿足安全認(rèn)證和高能效方面的需求。）

PCB布局整體如下圖所示，橙色方框標(biāo)注的MCU-DRAM-VRM系統(tǒng)為本文主要仿真對(duì)象，目標(biāo)信號(hào)為L(zhǎng)PDDR4信號(hào)。

圖1、開發(fā)板PCB整體視圖

從圖2原理圖中可以看出（紅色方框），目標(biāo)IC設(shè)計(jì)中包含了4組數(shù)據(jù)信號(hào)，就對(duì)該4組數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行仿真，地址線的仿真方法相同，因此本文不再重復(fù)。（根據(jù)DDR信號(hào)規(guī)范，數(shù)據(jù)信號(hào)為整個(gè)DRAM系統(tǒng)中速率最快的信號(hào)，其次是地址信號(hào)，是仿真和測(cè)試重點(diǎn)關(guān)注的網(wǎng)絡(luò)，由于整個(gè)仿真過程需要參照J(rèn)EDEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，因此需要對(duì)DDR信號(hào)規(guī)范有一定的了解，不了解的讀者可以翻閱本人之前有關(guān)DDR4的相關(guān)介紹-采用ANSYS進(jìn)行DDR4仿真。）

圖2、開發(fā)板原理圖中DDR部分

仿真疊層設(shè)置如圖3所示，確保PCB設(shè)置一致，Siwave和Sigrity均使用相同疊層設(shè)置。

圖3、PCB疊層設(shè)置

由于仿真中考慮了信號(hào)SSN效應(yīng)，所以需要同時(shí)考慮PDN的影響，為了保持一致，器件參數(shù)統(tǒng)一按照下表進(jìn)行設(shè)定。

表1、電源網(wǎng)絡(luò)電容參數(shù)列表

同樣為了方便對(duì)比，Siwave和Sigrity內(nèi)器件驅(qū)動(dòng)和接收參數(shù)均按照下表設(shè)置。

表2、器件驅(qū)動(dòng)參數(shù)設(shè)置表

最后可以簡(jiǎn)單介紹兩款軟件，以方便初學(xué)者做出適合自己的選擇。

1）、Siwave是ANSYS公司發(fā)布的一款軟件，包含在ANSYSElectronics Desktop（通常也稱為“電子桌面”）中，電子桌面主要進(jìn)行電動(dòng)力學(xué)方面的仿真，可以滿足從直流到太赫茲頻段的各類仿真需求。其中包含的Siwave、Circuit和HFSS 3D layout三個(gè)模塊主要用來處理PCB以及相應(yīng)的電路-PCB協(xié)同仿真需求。從軟件功能上看，信號(hào)完整性仿真僅僅是ANSYS電子桌面眾多能力中的其中之一，除此之外還可以進(jìn)行電力電子仿真、射頻和天線仿真、磁元件仿真以及多物理場(chǎng)的聯(lián)合仿真等。如果使用者有較為復(fù)雜多變的仿真需求，ANSYS是不錯(cuò)的選擇。遺憾之處在于，ANSYS公司沒有一款Layout工具，這導(dǎo)致其處理PCB仿真需求時(shí)需要借助Cadence等其他EDA公司的軟件進(jìn)行部分PCB的前處理工作，這一點(diǎn)在進(jìn)行PCB的優(yōu)化上是遠(yuǎn)不如自帶Layout工具的仿真軟件方便的。

2）、Sigrity是Cadence公司旗下產(chǎn)品。除去高大上的芯片設(shè)計(jì)工具，我們通常用到的Cadence軟件包主要有Orcad和Allegro，以及Pspice和Sigrity。Orcad和Allegro功能大家都知道，主要是原理圖和Layout。Pspice為電路仿真工具。Sigrity為PCB仿真工具，內(nèi)部包含了System SI，Power SI，Power DC等模塊，目的是為滿足PCB仿真中的信號(hào)和電源協(xié)同分析設(shè)計(jì)和仿真需求。SIgrity與SIwave在算法上非常相似，兩者均采用了包括FEM、矩量法和傳輸線法的混合算法。從這里可以看到，Sigrity背后的Cadence不能處理復(fù)雜的電磁場(chǎng)仿真需求，但其在Layout和CAD方面是權(quán)威。而且從學(xué)習(xí)成本上，Sigrity相對(duì)資料更多，更容易上手。

2、仿真流程對(duì)比介紹

在對(duì)DDR的仿真處理上，Siwave和Sigrity整體流程類似。Siwave采用自身進(jìn)行PCB的S參數(shù)提取，然后匯入Circuit中搭建系統(tǒng)電路進(jìn)行仿真。SIgrity則是通過Power SI進(jìn)行PCB的S參數(shù)提取，然后在System SI中搭建系統(tǒng)電路進(jìn)行仿真。

2.1、視圖上的差異

Siwave在匯入Circuit后，整體電路拓?fù)鋵哟畏置?，關(guān)鍵信息幾乎全部體現(xiàn)在主視窗中。

圖4、Circuit中搭建的DDR仿真拓?fù)?/p>

Sigrity的系統(tǒng)界面主窗口相比更為簡(jiǎn)潔，用戶需要對(duì)電路進(jìn)行編輯，需要通過雙擊相應(yīng)的圖標(biāo)來完成，更多的信息隱藏在二級(jí)界面中。

圖5、Sigrity中搭建的DDR仿真拓?fù)?/p>

2.2、仿真結(jié)果處理的差異

使用Siwave時(shí)，用戶需要自行調(diào)出仿真結(jié)果，并且在眼圖的導(dǎo)出中需要手動(dòng)設(shè)置UI時(shí)長(zhǎng)，且在對(duì)驅(qū)動(dòng)參數(shù)、信號(hào)速率等重新編輯后，原始結(jié)果會(huì)被清除，若要保留則需要手動(dòng)復(fù)制，總之整體的操作過程中手動(dòng)的部分更多一些。

圖6、Circuit仿真結(jié)果界面

相反在使用Sigrity時(shí)，仿真結(jié)果是自動(dòng)生成的，眼圖等常用結(jié)果的呈現(xiàn)也更為自動(dòng)化，用戶在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)參數(shù)、信號(hào)速率等重復(fù)編輯，軟件也能自動(dòng)保存每次仿真的結(jié)果。即整個(gè)過程中自動(dòng)的部分更多一些。

圖7、System SI仿真結(jié)果界面

2.3、預(yù)處理方面差異

Siwave因?yàn)檎隙容^高，充分發(fā)揮了ANSYS電子桌面的強(qiáng)大之處，因此在模型預(yù)處理方面更為全面，包括S參數(shù)的合規(guī)性檢查，IBIS模型的檢查、修復(fù)、重新編輯等。因此個(gè)人認(rèn)為更為專業(yè)一些。

圖8、Siwave對(duì)S參數(shù)模型的處理

圖9、Siwave對(duì)IBIS模型的處理

圖10、Cadence自帶的IBIS模型工具

2.4、驅(qū)動(dòng)碼型差異

Siwave和Sigrity在驅(qū)動(dòng)碼型上存在一定差異。其中，Siwave默認(rèn)為PRBS碼型，可設(shè)置每個(gè)網(wǎng)絡(luò)碼型由系統(tǒng)隨機(jī)生成。

圖11、Siwave中的碼型設(shè)置界面

Sigrity在驅(qū)動(dòng)碼型的設(shè)置上也類似，但多了一個(gè)通道檢測(cè)的功能，可以根據(jù)通道響應(yīng)特性生成“worst case”的驅(qū)動(dòng)碼型。這點(diǎn)主要考慮了PDN的SSN效應(yīng)，根據(jù)Larry Smith（高通PI首席專家）的文章，系統(tǒng)在特定的碼型驅(qū)動(dòng)下，可以被激發(fā)出導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的浪涌，并將這種現(xiàn)象定義為Rogue Wave。從這個(gè)角度來看，worst case是一種檢驗(yàn)DDR系統(tǒng)魯棒性的較為便捷的方法。

圖12、Sigrity碼型生成工具

3、結(jié)果對(duì)比

設(shè)置信號(hào)速率為4.266Gbps，分別仿真得到結(jié)果。

3.1、讀操作

可以看到兩個(gè)工具在讀操作下的結(jié)果基本一致，波形細(xì)節(jié)存在一定的差異，比如Sigrity波形的眼高要略小于Siwave結(jié)果。個(gè)人猜測(cè)可能主要是兩個(gè)工具在處理IBIS模型數(shù)據(jù)上存在一定的差異。（為什么不是S參數(shù)結(jié)果的差異呢？原因在下文中。）

圖13、Byte0結(jié)果對(duì)比

圖14、Byte1結(jié)果對(duì)比

圖15、Byte2結(jié)果對(duì)比

圖16、Byte3結(jié)果對(duì)比

3.2、寫操作

在寫操作結(jié)果中，兩者出現(xiàn)了巨大的差異。Siwave取得的結(jié)果明顯優(yōu)于Sigrity。Sigrity結(jié)果中高電平幅值一致性非常差，導(dǎo)致“眼皮”厚度明顯大于Siwave結(jié)果。

圖17、Byte0結(jié)果對(duì)比

圖18、Byte1結(jié)果對(duì)比

圖19、Byte2結(jié)果對(duì)比

圖20、Byte3結(jié)果對(duì)比

4、模型的處理

4.1、IBIS模型

按照Wei-hsing Huang（SPISim USA的首席顧問，后被ANSYS收購(gòu)）的博客文章，IBIS模型的使用存在頻率上限，超出使用頻率上限，緩沖器將沒有足夠的時(shí)間來完成上升、下降或兩者間的轉(zhuǎn)換。這種情況會(huì)導(dǎo)致模擬過程中存在不連續(xù)、故障甚至不收斂的情況。我們將這種現(xiàn)象定義為Overclocking。

NXP官網(wǎng)提供的MCU模型便存在Overclocking情況，打開其DDR的驅(qū)動(dòng)波形可以看到，其上升沿長(zhǎng)度達(dá)到了10ns之久，已經(jīng)嚴(yán)重超出4.266Gbps最小碼型寬度。

圖21、初始MCU模型上升沿波形

Siwave內(nèi)部集成了IBIS模型預(yù)處理功能，可以最大化的對(duì)波形寬度部分進(jìn)行裁剪，使其滿足更高頻率的要求。從下圖中可以看到，優(yōu)化后的波形上升沿寬度降低到不到800ps。

圖22、優(yōu)化后MCU模型上升沿波形

Sigrity中也包含了IBIS模型的檢查功能，會(huì)對(duì)合規(guī)性進(jìn)行檢查。但僅限于檢查，并未發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化處理的部分。正因如此，兩者在寫模式下結(jié)果才會(huì)出現(xiàn)較大的差異。

圖23、Sigrity中的IBIS模型檢查功能

4.2、S參數(shù)模型

在Sigrity的使用中，發(fā)現(xiàn)其Power Si在生成S參數(shù)模型時(shí)存在不收斂的情況，將兩次仿真結(jié)果放在一起進(jìn)行對(duì)比，可以看到其中一次存在明顯的Non-Passivity情況。筆者也不清楚為何會(huì)出現(xiàn)這種情況，希望了解的老師能夠解答這個(gè)疑問。

圖24、PowerSI兩次仿真得到S參數(shù)對(duì)比

5、報(bào)告生成

對(duì)于復(fù)雜的DDR仿真結(jié)果，查看JEDEC標(biāo)準(zhǔn)文檔逐個(gè)進(jìn)行合規(guī)性檢查是一件繁瑣的事情。Siwave和Sigrity作為成熟的商業(yè)軟件，均具備完整的報(bào)告生成功能。其內(nèi)置的報(bào)告生成功能極大的簡(jiǎn)化了這部分工作，可以自動(dòng)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行檢查，并且輸出合規(guī)性報(bào)告。

相比之下，Siwave的報(bào)告生成功能較為繁瑣，使用者需要去對(duì)結(jié)果信號(hào)重新定義，才能得到相應(yīng)的仿真報(bào)告，同時(shí)，Siwave的仿真報(bào)告中缺乏如疊層信息、去耦電容信息、模型驅(qū)動(dòng)設(shè)置等關(guān)鍵信息，且網(wǎng)頁(yè)格式的結(jié)果文檔中不能夠再次打開波形查看。

圖25、Siwave合規(guī)性報(bào)告（部分截圖）

圖26、Siwave合規(guī)性報(bào)告（部分截圖）

Sigrity的報(bào)告生成相對(duì)來講更為簡(jiǎn)單便捷，用戶不需要重新對(duì)信號(hào)間關(guān)系進(jìn)行重新定義，僅需要簡(jiǎn)單的幾步操作即可得到完整包含信號(hào)波形的結(jié)果文件。這點(diǎn)相較于Siwave來講還是很人性化的。

圖27、Sigrity合規(guī)性報(bào)告（部分截圖）

圖28、Sigrity合規(guī)性報(bào)告（部分截圖）

6、總結(jié)

從簡(jiǎn)單的橫向?qū)Ρ瓤梢钥吹?，主流商業(yè)SI仿真工具均可以完成大部分的仿真需求。但現(xiàn)階段下沒有一家可以做到盡善盡美的。若要在產(chǎn)品的研發(fā)過程中充分發(fā)揮SI的價(jià)值，使用者就需要克服軟件中存在的不足之處。

本文中使用的PCB文件和IBIS模型已經(jīng)在網(wǎng)盤中共享給各位讀者（鏈接：https://pan.baidu.com/s/13_ojhpP0glnzss8cXx8a_w提取碼：b10s），歡迎大家下載學(xué)習(xí)，也希望有朋友能夠使用其它工具復(fù)現(xiàn)本文結(jié)果，對(duì)市面上的商業(yè)軟件進(jìn)行一個(gè)橫向大比拼！

審核編輯：湯梓紅