Ansoft创始人：如何通过电磁场仿真由内而外颠覆SI？

来源：ANSYS白皮书

翻译：上海安世亚太

前言

DesignCon是芯片、封装和系统级高速电子领域首屈一指的会议。每年在硅谷中心举办一次，汇集了顶尖的设计工程师、研究人员和引领电子前沿的行业高管。在这次会议上，Ansoft公司（2008年被Ansys收购）的创始人、IEEE的终身研究员Zoltan Cendes博士就如何通过电磁（EM）场仿真由内而外的颠覆信号完整性（SI）的问题发表主题演讲。

由内而外

那么，由内而外的将信号完整性仿真彻底颠覆到底意味着什么呢? 现代仿真的前景是基于物理的求解器，并且由电路和系统仿真支持，而不是通过相反的方式。所有的电子设计从根本上都是基于麦克斯韦Maxwell方程组的，因此，要对高性能系统进行精确仿真，最严格的方法自然就是直接求解这些方程组。在过去，电子产品的精密程度和速度都不足，无需求解完全耦合的麦克斯韦方程组(我们称之为“全波”场解)，我们也没有计算机能够解决这些巨大问题。传统的电子设计验证主要依赖于像SPICE这样的电路仿真器。只有设计的孤立部分使用电磁学建模。通常采用近似的、准静态的查表方法来提取寄生参数。我们使用电路仿真、准静态解决方案和混合方法来进行信号完整性设计。

电磁仿真现在已经发展到可以从一个板设计仿真到仿真整个电子系统的程度。先进的数值方法、高性能计算和自动化处理大量EDA数据集的新技术实现了这一转变。甚至可以将电磁分析与多物理场仿真相结合，这样设计者就可以评估热应力和机械应力效应的影响。

电磁场仿真是电子设计的重要组成部分，电磁现象直接导致了电源和信号完整性问题。构建原型是不切实际的，而且在设备建成后修复问题的成本过高。

Ansys所追求的策略是以电磁仿真为主，电路分析支持电磁解。为了实现这一目标，增加了新的软件功能，使工程师能够直接从Ansys HFSS和Ansys SIwave中的布板进行瞬态电路分析。其理念是将IC封装、插座、印制电路板、连接器和电缆“组装”成一个电子系统，就像在现实世界中一样，然后使用适当的技术对该系统进行分析。结果就是I/O波形和眼图，就像您在实验室里可能测量到的那样。由于系统的电磁行为已经得到了严谨高效的解决，信号完整性设计工程师得到了精确的结果来发现设计是如何执行的。Ansys的策略是使用Ansys HFSS和Ansys SIwave全波电磁场求解器求解“大型电磁”系统。采用精确的互连线全波模型，通过电路仿真求解隔离非线性驱动和接收电路。因此物理是主要的，电路是次要的。这就是“由内而外”的含义。这个新时代允许电路和系统分析成为更广泛的基于物理的组装解决方案的一部分。依靠我们的PCB解决方案，我们可以自动化大部分过程。

为何电磁仿真至关重要

工程师们多年来一直依赖于电路级仿真。通常，他们使用Synopsys HSPICE®进行信号完整性瞬态解决方案和射频仿真方法，如用于无线和微波的谐波平衡。电路分析是电气工程设计的基础，对我们的工艺至关重要。我们绘制了一个包含无源和有源元件模型的原理图，然后列出并运行直流、线性、暂态或频域行为的仿真。通过应用基尔霍夫定律，所有元件在电路节点上耦合在一起，从而可以分析这些节点上元件之间的相互作用。有些组件需要更专业的模型，如传输线、PCB上的网络、连接器或微波滤波器。例如，hspice w-element用于传输线和网络，并可接受S参数模型用于连接器等其他组件。

当数据速度和频率增加到超过模型的适用范围时，或者当模型没有考虑到组件之间的耦合时，就会出现困难挑战。考虑到一个拥有数千个网络和数百个组件的复杂PCB印制电路板。我们能否将系统划分成成千上万个单独的网络模型，并知道它们之间的耦合发生在哪里？哪些耦合是重要的，哪些是我们可以忽略的？如果我们知道这一点，那么我们可能一开始就不需要执行仿真！我们只需在仿真之前纠正布板中的所有耦合问题。

从20世纪80年代开始，电磁仿真器被引入来创建复杂耦合行为的模型。我们不是测量连接器的性能或其下的逸出路径，而是运行电磁仿真来提取用于电路仿真的S参数模型。

这种方法可以很好地解决孤立的电磁问题，并已被用于设计无数的高速网络和无线系统。随着开关速度、频率和布局密度的增加，越来越多的系统需要电磁仿真。很明显，系统谐振对于预测电源完整性和EMI/EMC非常重要。对于这些影响，电路仿真不能提供任何补救措施；其行为取决于PCB的物理尺寸和形状。较大的PCB在较宽的频带上有更多的谐振。

如何知道这些谐振中的一个何时被基板辐射，然后导致系统在EMC室中超标？单靠电路仿真是不行的。

20世纪90年代末，我们开始讨论全系统电磁学的问题，简单地将一个复杂的PCB传递给Ansys HFSS以提取所有电磁效应是非常好的，但当时的计算机和算法无法处理大规模的仿真。要解决单个PCB电路板的问题，就需要几十千兆字节。

相反，Ansys (Ansoft)和其他公司开发了专门的“混合”电磁求解器(Ansys SIwave)，可以自动组合传输线的电路模型、层间通孔和电路板谐振模型，以捕捉整个PCB系统的行为。这是一个重大突破，使工程师能够快速、高效地对信号、电源完整性和EMI进行建模。Ansys HFSS和Ansys SIwave同时存在于设计工程师的工具箱中，能够分别对要求如此严格的结构进行非常详细的全波分析，并对基于PCB的大型系统进行全系统分析。HFSS和SIwave通常用于提取电子和微波电路中的无源结构，并将结果连接到电路和系统级仿真以处理非线性和系统行为效应。

新的建模和算法

快进到今天。如果现代电磁仿真技术和大规模、高性能计算(HPC)能够用HFSS全波精度处理整个PCB的仿真，情况会怎样？如果您能在合理的时间内完成，那何乐而不为呢？没有理由尝试使用传输线模型或带有行为模型的过孔来建模网络。您只需将整个系统呈现给EM求解器并运行仿真即可。不需要考虑包含哪个耦合；不用担心电路板的切割会给仿真模型设置人为的边界条件，从而改变结果。今天，新的算法、自动化和高性能计算HPC技术在使之成为可能。

例如，几年前Ansys在HFSS中引入了一种新的几何建模范式。自成立以来，HFSS一直基于3-D机械CAD（MCAD）接口。模型是使用三维图元（如矩形棱柱、圆柱体和球体）以及平面的薄板曲面创建的。这种模型适用于波导管、外壳、天线和车辆。

任何PCB都必须按照3-D图元重新创建，从而创建一个非常大的MCAD模型，以支持数千个网络。为了解决这一问题，Ansys创建了一个基于PCB或封装的建模器，该建模器建立在电气CAD(ECAD)结构上，如层堆叠、网、通孔和焊盘。实际上，系统中内置了一个底层电子数据库(EDB)，以支持ECAD数据的高效和参数化建模。使用这个数据模型和设计范例，与Cadence、Mentor、Zuken和其他EDA布局工具的链接变得很自然。因此HFSS固有地有两个几何建模器：MCAD和ECAD。这使得工程师能够将MCAD和ECAD组合在电子组件中，以支持例如放置在ECAD PCB布局上的3-D MCAD连接器。

用ECAD进行电子建模对于仿真来说有一些非常显著的好处。凭借更加简化的ECAD，我们不仅有更大的处理设计中数千条走线traces的能力，还“知道”网络、电源/接底层、过孔和焊盘堆栈之间的差异。我们可以将这些信息传递给求解器，以便使用新技术以智能的方式处理。其中一项新技术就是我们的Phi网格引擎。Phi mesher是专门设计用来处理电路板数据的。MCAD模型之前可能需要一个小时才能实现网格化，现在可以在几分钟内产生相同的结果。然后，我们运行HFSS，使用其传统的自适应过程来收敛于正确的解。

Ansys HFSS使工程师能够将3-D连接器与PCB布局结合起来，解决连接到PCB电路板上的连接器问题。

了解更多关于ECAD设计的知识，也有助于实现分析自动化并加速仿真。例如，每当添加端口时，HFSS中的仿真时间就会增加。每个双端SMT设备就像系统中的电容器一样，需要在HFSS模型中添加两个端口。复杂的系统可能包含数百个这样的组件，因此传统上需要数百个端口。HFSS的最新进展极大地提高了处理具有数百个端口的模型的速度；在典型情况下，仿真可以加速20倍或更多。另一种方法是将设备的S参数表示合并到HFSS系统矩阵中，从而消除对端口的需要。作为一个额外的好处，模型的示意图被大大简化。通过保留ECAD表示，我们可以将SMT、连接器、柔性电路板和其他组件放置到一个组装中。我们知道在哪里放置它们，以及哪些引脚需要连接到特定的焊盘。当我们将设计简化为传统的MCAD模型时，这些信息就丢失了。

想象一下在PCB上添加一个32-pin连接器的情况。在纯粹基于示意图的流程中，我们必须提取HFSS中连接器的S参数，然后将S参数黑盒的black-box 放入示意图中。然后我们必须在原理图中建立64个连接；连接器中的每个导体都有一个输入端和一个输出端，因此必须连接64个单独的节点。现在考虑一种ECAD加MCAD的装配方法。只需选择连接器的MCAD模型，将其正确定位，然后将其放置到电路板上。复杂的后台算法自动进行电气连接，而无需用户在原理图上进一步输入。这是一个巨大的时间节省，还可以防止无意中的错误。更重要的是，我们可以在布局中编写该功能的脚本，并使流程自动化，以匹配任何组织的工作流，从而使其更加简单。例如，可以通过使用SIwave提取PCB来进行仿真；然后使用线性电路仿真来完成连接器与PCB的级联。如果最终的全波验证需要，一个简单的菜单选择就会告诉系统改用HFSS来划分网格和求解整个组件（没有线性电路级联）。

高性能计算

由内及外地颠覆SI（信号完整性）仿真的一个主要促成因素是先进的高性能计算。有了正确的数值程序和算法，就有可能利用大型计算集群来加速求解，解决更大的问题，并扫描频率和参数。HPC高性能计算可使许多设计变量的3-D全波仿真既实用又有效，从而为优化设计和提高其可靠性提供了可能。

最新的技术之一是分布式自适应网格划分。这是自HFSS最初发布以来对自适应过程最根本的改变。HFSS一直使用一个中心的、用户自定义的频率作为自适应解决方案，然后使用各种频率扫描方法来获得宽带响应。频率扫描方法使用来自该单一频率的自适应和收敛网格来计算所有其他频率下的系统响应。多年来，用户可以在一个频率上收敛，然后使用“非独立网格dependent mesh”设置进一步适应另一个频率，但这是一个手动过程。新技术可以在多个频率自动调整网格。使用“宽带自适应网格划分”，频率选择可以完全自动完成，或者使用“多频率自适应网格划分”，在用户定义的频率下完成。

使用高性能计算可以大大加速这些频率扫描。我们最近增加了两个新功能:分布式频率扫描和S矩阵S-Matrix-only求解器。第一种方法利用消息传递接口(MPI)在集群中的节点上分布多个频率点。用多台机器求解单个频率点可以使速度与节点数成线性比例。第二种是S-Matrix-only求解器，当S参数是唯一感兴趣的量时非常适用。如果不需要EM电磁场，我们可以通过不求解EM电磁场来实现可观的计算收益。对于不需要显式检查所有频率下的字段的问题，由于高效的硬件利用率，这将大大减少使用的内存并加快求解的速度。