信號(hào)完整性面臨的挑戰(zhàn)

早在十幾年前信號(hào)完整性還并沒有進(jìn)入硬件工程師的視野，工程師對(duì)付干擾、噪聲等問題的“三大法寶”就是接地、濾波、屏蔽，這種僅憑工程師的經(jīng)驗(yàn)的做法顯然非常粗放。當(dāng)時(shí)的數(shù)字系統(tǒng)工作頻率大多都在100MHz以下，信號(hào)的上升時(shí)間也都有幾個(gè)納秒，信號(hào)完整性的問題并不嚴(yán)重；當(dāng)時(shí)的數(shù)字系統(tǒng)的電平標(biāo)準(zhǔn)大多是TTL、CMOS電平信號(hào)線有著很大的噪聲裕量不必?fù)?dān)心電源噪聲的影響；當(dāng)時(shí)的芯片功耗也沒有像現(xiàn)在一個(gè)CPU、DSP動(dòng)輒就幾十瓦的功耗，不必?fù)?dān)心電源通流能力和電壓降的問題；當(dāng)時(shí)芯片的接口電壓、核電壓并沒有現(xiàn)在這么低甚至到了1V以下，不必過分的擔(dān)心電源噪聲的問題。

然而隨著電子通信產(chǎn)品性能的不斷提高、半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，信號(hào)的最高傳輸速率已經(jīng)由2004年的3.125Gbps發(fā)展到目前的28Gbps，同時(shí)供電電壓不斷降低，產(chǎn)品對(duì)電流的需求卻不斷地增加。這些都是高速電路設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)，使得以往僅僅通過工程師的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)無法解決信號(hào)在傳輸過程中所產(chǎn)生的各種問題：

• 半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，使得芯片集成度越來越高，不同模塊之間相互干擾越來越嚴(yán)重；
• 信號(hào)速率的提高，使時(shí)序余量越來越小，DDR5的速率已經(jīng)達(dá)到了6.4Gbps。

• 系統(tǒng)電流需求越來越大，使IR Drop和電源噪聲越來越難以控制；
• 供電電壓越來越低，使得芯片對(duì)電源噪聲的要求越來越高；
• 信號(hào)上升時(shí)間越來越快，使得極其細(xì)微的互連結(jié)構(gòu)（比如說芯片封裝、接插件、過孔等）都會(huì)對(duì)信號(hào)質(zhì)量造成影響。
• 信號(hào)幅度不斷降低，導(dǎo)致信號(hào)噪聲裕量不斷減小

于是人們開始認(rèn)識(shí)到信號(hào)完整性和電源完整性的重要性，同時(shí)對(duì)SI和PI的研究也開始表現(xiàn)出了濃厚的興趣，并使得信號(hào)完整性分析成為產(chǎn)品開發(fā)流程中一個(gè)非常重要的工作和不可或缺的環(huán)節(jié)。

正因?yàn)槿绱耍瑢I(yè)的信號(hào)完整性工程師也就誕生了，盡管目前來看專業(yè)從事SI、PI分析的工程師還比較少（雖然比前些年多多了），大部分SI、PI分析還都是由硬件工程師或者PCB工程師兼職在做。但我們也要看到信號(hào)完整性分析發(fā)展前景十分廣闊，隨著數(shù)字系統(tǒng)高速、高集成度、產(chǎn)品開發(fā)周期的不斷縮短的發(fā)展趨勢(shì)，信號(hào)完整性工程師必將在產(chǎn)品的開發(fā)過程中扮演越來越重要的角色。

基于信號(hào)完整性分析的設(shè)計(jì)方法

隨著電子、通信技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品的功能、性能等各項(xiàng)指標(biāo)都在不斷提高，電子產(chǎn)品面臨著高密度、小型化、分布式、低功耗、高可靠要求等諸多挑戰(zhàn)。

按照應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的不同應(yīng)對(duì)方法，我們可以把產(chǎn)品的開發(fā)方式，大體上分為如下三種：

• 問題解決型

顧名思義，問題解決型是一些小公司面臨技術(shù)、資金、進(jìn)度、成本等多方面壓力情況下的無奈選擇。一款產(chǎn)品不經(jīng)過充分的評(píng)估分析，而是先做了再說。如果在調(diào)試測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)問題，再絞盡腦汁想方設(shè)法解決、補(bǔ)救，美其名曰“攻關(guān)克難”。這樣設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品拋開運(yùn)氣成分，不可能穩(wěn)定。如果問題無法解決，那就需要改版，當(dāng)然啦肯定也會(huì)影響產(chǎn)品開發(fā)的進(jìn)度，同樣也可能會(huì)付出更高的成本。

• 規(guī)則驅(qū)動(dòng)型

公司發(fā)展到一定的規(guī)模，在長(zhǎng)期的產(chǎn)品開發(fā)中積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。將這些經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)規(guī)則，在產(chǎn)品開發(fā)過程中應(yīng)用這些規(guī)則驅(qū)動(dòng)、約束整個(gè)開發(fā)流程。顯而易見，這種開發(fā)方法相比“問題解決型”有了明顯的進(jìn)步。但這種方法只是在經(jīng)驗(yàn)的積累轉(zhuǎn)化為的規(guī)則，在面臨更加復(fù)雜、性能要求更高的產(chǎn)品開發(fā)時(shí)，現(xiàn)有的規(guī)則可能并不適用。

面臨新的調(diào)整就需要新的設(shè)計(jì)方法。

• 系統(tǒng)設(shè)計(jì)型

“凡事預(yù)則立，不預(yù)則廢”。那么我們做硬件產(chǎn)品開發(fā)也需要有規(guī)范的設(shè)計(jì)流程，是“做了再說”，遇到問題再找解決的辦法，還是要先對(duì)關(guān)鍵技術(shù)、難點(diǎn)進(jìn)行充分的評(píng)估分析，在前期找到問題的解決辦法再執(zhí)行，有效的規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)？顯然選擇后者更靠譜！

在硬件開發(fā)流程中引入SI、PI仿真分析環(huán)節(jié)就能夠有效地在設(shè)計(jì)前期解決信號(hào)、電源質(zhì)量引起的問題，因此將SI、PI仿真分析引入硬件開發(fā)流程中是非常必要的。目前國(guó)內(nèi)像某為、某興等大公司，都有一套自己的設(shè)計(jì)方法論、都有完整的SI、PI仿真分析流程。

面對(duì)信號(hào)完整性方面的挑戰(zhàn)，以往“問題解決型”、“規(guī)則驅(qū)動(dòng)型”的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能夠滿足需求。我們必須重新定義硬件的開發(fā)流程。為了在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期能夠及時(shí)預(yù)測(cè)、解決信號(hào)完整性方面的問題和風(fēng)險(xiǎn)，目前業(yè)界主流的硬件設(shè)計(jì)流程中都已經(jīng)引入了信號(hào)完整性分析環(huán)節(jié)。

業(yè)界主流硬件設(shè)計(jì)流程圖

在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段SI仿真分析所起到的作用如下：

• 原理圖設(shè)計(jì)階段：SI工程師參與其中，對(duì)關(guān)鍵信號(hào)和關(guān)鍵電源進(jìn)行仿真分析之后給出關(guān)鍵信號(hào)的匹配方案、關(guān)鍵接口器件的buffer選型、關(guān)鍵電源的濾波方案等等；同時(shí)還給出關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)的PCB設(shè)計(jì)規(guī)則。
• PCB設(shè)計(jì)階段：SI工程師與PCB工程師溝通落實(shí)前仿真規(guī)則，待PCB設(shè)計(jì)完成后通過后仿真對(duì)信號(hào)質(zhì)量和前仿真結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。如果不能滿足要求需要與硬件工程師、PCB工程師溝通提出解決方案對(duì)PCB設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

表面上看起來設(shè)計(jì)流程中增加了SI仿真分析環(huán)節(jié)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的延長(zhǎng) ，但實(shí)際上由于能夠提前預(yù)測(cè)和解決信號(hào)完整性方面的問題，可以極大的縮短測(cè)試調(diào)試的周期，甚至一板成功的可能性也極大的提高。