前言

5G網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、智能汽車等行業(yè)的快速發(fā)展使得數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。具有信號傳輸功能的連接器在性能上需要不斷優(yōu)化升級，使其達(dá)到高頻高速傳輸?shù)奶匦裕瑏頋M足這些行業(yè)超高數(shù)據(jù)傳輸速率的需求。如何對連接器的高速性能進(jìn)行快速評估？有沒有一套系統(tǒng)的分析方法，應(yīng)對高速連接器復(fù)雜的設(shè)計(jì)仿真問題？

連接器市場概況

連接器作為連接電子產(chǎn)品模塊、設(shè)備、子系統(tǒng)的橋梁，起到電源傳輸和信息交換的作用。它廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事裝備、通訊、計(jì)算機(jī)、汽車、工業(yè)、家用電器等領(lǐng)域，可以增強(qiáng)電路設(shè)計(jì)和組裝的靈活性，，是構(gòu)成整機(jī)電路系統(tǒng)電氣連接必不可少的基礎(chǔ)元件，已成為電子信息基礎(chǔ)產(chǎn)品的支柱產(chǎn)業(yè)之一。近年來，受益于新能源汽車、數(shù)據(jù)與通信、電腦及周邊、消費(fèi)電子等下游行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，全球連接器市場規(guī)?？傮w呈擴(kuò)大趨勢。數(shù)據(jù)顯示，連接器的全球市場規(guī)模在2020年已達(dá)到 627.27 億美元。連接器下游行業(yè)龐大的市場需求，為連接器的發(fā)展創(chuàng)造了廣闊的市場空間，未來連接器市場規(guī)模將不斷增長。以中國為代表的新興市場呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長的趨勢，成為推動全球連接器市場增長的主要動力。數(shù)據(jù)顯示，2020年全球連接器市場中，中國銷售額占比達(dá)到 32.18%，已經(jīng)超越北美、歐洲等地區(qū)，成為全球最大的連接器市場。

連接器行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

1. 不斷增加的數(shù)據(jù)傳輸需求

5G通信、云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興行業(yè)及應(yīng)用，帶來了數(shù)據(jù)流量爆發(fā)式增長，更高的數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)成為幾乎所有系統(tǒng)的必須。為了滿足數(shù)據(jù)流量的傳輸，高速串行鏈路協(xié)議，如PCIe、SATA、SAS、以太網(wǎng)、USB和Infiniband都規(guī)劃將數(shù)據(jù)速率增加一倍。隨著數(shù)據(jù)速率的增加，對連接器傳輸速率和密度等提出了更高的要求。然而，超高的傳輸速率和密度在連接器設(shè)計(jì)過程中將引起包括信號阻抗不連續(xù)、信道間串?dāng)_以及不對稱的模式轉(zhuǎn)換等一系列高速信號完整性問題。

2. 系統(tǒng)化的連接解決方案需求

隨著連接器應(yīng)用的復(fù)雜化及產(chǎn)品開發(fā)過程中分工的專業(yè)化和精細(xì)化，客戶對連接器廠商的需求逐步由提供“單純的連接器產(chǎn)品”向提供“系統(tǒng)連接解決方案”轉(zhuǎn)變。這就要求連接器廠商能夠提供完整的技術(shù)服務(wù)，在客戶產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期就能參與進(jìn)來，和客戶就產(chǎn)品需要達(dá)到的速率、帶寬等性能方面進(jìn)行交流和溝通，協(xié)助制定產(chǎn)品方案。連接器廠商通過融入客戶產(chǎn)品開發(fā)，能夠獲得整個供應(yīng)鏈的同步信息，從而及時(shí)了解客戶需求情況，協(xié)助客戶對其產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)自身產(chǎn)品市場競爭力。系統(tǒng)連接解決方案包括參與客戶產(chǎn)品方案制定，協(xié)助客戶進(jìn)行連接器、板材、高速線纜等連接器相關(guān)組件進(jìn)行選型，指導(dǎo)客戶進(jìn)行連接器管腳阻抗優(yōu)化以及對系統(tǒng)鏈路進(jìn)行性能評估，這些需求對連接器廠商提出了更多、更高的要求。

3. 快速迭代的產(chǎn)品開發(fā)需求

連接器屬于安防設(shè)備、通信設(shè)備、消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)、汽車、軌道交通等行業(yè)的配套產(chǎn)業(yè)，用途廣泛。由于不同客戶對連接器的需求不同，導(dǎo)致相關(guān)產(chǎn)品種類繁多、規(guī)格繁雜，這就要求連接器廠商必須具備較強(qiáng)的市場信息捕捉能力和產(chǎn)品快速研發(fā)設(shè)計(jì)能力，以縮短反應(yīng)時(shí)間，及時(shí)根據(jù)下游產(chǎn)品的快速更新而不斷研發(fā)新產(chǎn)品。

綜上所述，在高速連接器的設(shè)計(jì)中我們將面臨“不斷增加的數(shù)據(jù)傳輸需求、系統(tǒng)化的連接解決方案需求、快速迭代的產(chǎn)品開發(fā)需求”等諸多挑戰(zhàn)。接下來，我們將為您介紹芯和半導(dǎo)體高速連接器仿真解決方案是如何解決上述難題的。

芯和半導(dǎo)體高速連接器仿真解決方案

芯和半導(dǎo)體是國產(chǎn)EDA行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，其自主知識產(chǎn)權(quán)的EDA產(chǎn)品和方案在5G、智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。針對高速連接器產(chǎn)品，芯和半導(dǎo)體提供了一系列仿真EDA解決方案。

1. 三維全波電磁場仿真工具

芯和半導(dǎo)體Hermes 3D內(nèi)嵌的三維全波高精度電磁仿真引擎可以支持從直流到太赫茲的頻率范圍，完全滿足高速高頻等應(yīng)用精度要求，并可以完美支持納米到厘米級別的跨尺度仿真。

Hermes 3D使用精細(xì)化網(wǎng)格加密技術(shù)，利用初始網(wǎng)格可以快速解算并提供場解信息，然后只在需要的區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)格加密細(xì)化，其迭代法求解技術(shù)節(jié)省計(jì)算資源并獲得最大精確度。必要時(shí)還可方便地使用人工網(wǎng)格化來引導(dǎo)優(yōu)化加速網(wǎng)格細(xì)化匹配的解決方案。

Hermes 3D強(qiáng)大的參數(shù)化掃描功能通過改變焊盤、疊層、走線等屬性進(jìn)行假設(shè)分析，并可方便地對比結(jié)果曲線，并支持導(dǎo)出到HFSS的功能，輸出的文件格式包括可編輯模型結(jié)構(gòu)的vbs腳本和快速導(dǎo)入的python腳本供用戶選擇，從而快速建立模型。

圖1 Hermes 3D電磁場仿真流程

2. 連接器組件快速建模仿真工具

針對連接器應(yīng)用過程中涉及到的高速線纜、PCB管腳、傳輸線等組件，芯和半導(dǎo)體提供了一套高效便捷的建模仿真工具集。

對于高速線纜建模和分析，芯和半導(dǎo)體的CableExpert軟件，提供了一種快速、便捷的創(chuàng)建模型的方法，可以實(shí)現(xiàn)Twinaxial、Twisted、Coaxial、 LVDS、Type-C等常用線纜的建模和快速仿真。CableExpert幫助設(shè)計(jì)工程師快速修改線纜幾何尺寸，了解線纜性能變化。同時(shí)也可以導(dǎo)出模型到第三方軟件中進(jìn)行協(xié)同仿真。

圖2 CableExpert 軟件主頁面

對于高速通孔建模，芯和半導(dǎo)體的ViaExpert軟件提供了一種快速、準(zhǔn)確的連接器管腳建模方案。用戶在預(yù)布局階段可以使用該工具快速構(gòu)建連接器管腳footprint模型，并檢查關(guān)鍵信號的信號完整性問題，包括差損、回?fù)p和串?dāng)_。用戶也可以導(dǎo)入 Allegro 版圖文件，進(jìn)行過孔和出線的后仿真分析。通過設(shè)置偏差變量，可以仿真模擬加工層偏、孔偏對信號完整性的影響。

圖3 ViaExpert 連接器管腳footprint優(yōu)化

對于傳輸線建模和分析，芯和半導(dǎo)體TmlExpert軟件提供了一種快速、準(zhǔn)確的方法來分析傳輸線的傳輸特性，內(nèi)置的蛇形線、Tabbedrouting、微帶線和帶狀線等，玻纖線，網(wǎng)格地線等模板，能讓用戶快速建立仿真模型，強(qiáng)大的三維全波段電磁仿真求解器能快速得到傳輸線阻抗特性，串?dāng)_和延時(shí)等信息。

圖4 傳輸線的建模與仿真

3.系統(tǒng)鏈路仿真工具

芯和半導(dǎo)體系統(tǒng)級的建模和仿真工具ChannelExpert，內(nèi)置了先進(jìn)的時(shí)域仿真引擎、電磁場仿真引擎和頻域級聯(lián)技術(shù)，提供了一種快速、準(zhǔn)確和簡單的方法來評估、分析和解決高速通道信號完整性問題。設(shè)計(jì)者通過編輯該軟件的原理圖界面，可以添加不同組件的層偏、孔偏、粗糙度、刻蝕精度、壓合流膠、連接器偏差、裝配長度等變化的參數(shù)模型，將不同的模型做變量掃描分析。設(shè)計(jì)者通過對工藝、溫度參數(shù)的變量掃描，可以快速檢查不同環(huán)境下的關(guān)鍵路徑信號完整性指標(biāo)，如插入損耗、回波損耗、眼圖、串?dāng)_等。

圖5 ChannelExpert系統(tǒng)鏈路仿真

4. 定制化解決方案

芯和半導(dǎo)體針對連接器客戶的痛點(diǎn)，為連接器廠商定制了基于網(wǎng)頁的S參數(shù)級聯(lián)與生成報(bào)告系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于芯和半導(dǎo)體S參數(shù)處理軟件SnpExpert進(jìn)行深度定制開發(fā)，借助于SnpExpert軟件在S參數(shù)處理方面的強(qiáng)大功能，結(jié)合了終端客戶的最新一線需求，幫助客戶快速高效進(jìn)行連接器性能評估及選型。在這個系統(tǒng)中，連接器廠商的仿真工程師只需要提供器件S參數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)維護(hù)。連接器客戶可以直接登錄系統(tǒng)，選擇連接器類型，查看性能、與電纜等組件模型級聯(lián)進(jìn)行鏈路評估并能生成報(bào)告，整個流程簡單易用，直觀清晰。

圖6 連接器S參數(shù)級聯(lián)與生成報(bào)告系統(tǒng)

總結(jié)

本文介紹了高速連接器設(shè)計(jì)中面臨的諸多挑戰(zhàn)。芯和半導(dǎo)體應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，推出了高效的高速連接器仿真解決方案：借助芯和半導(dǎo)體自主產(chǎn)權(quán)的Hermes 3D、CableExpert、ViaExpert、TmlExpert、ChannelExpert等設(shè)計(jì)仿真工具，，為客戶提供了基于設(shè)計(jì)和仿真的整套解決方案，幫助工程師實(shí)現(xiàn)連接器及組件快速建模及精確仿真，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

原文標(biāo)題：【解決方案】高速連接器仿真解決方案

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