在大數據時代，無論是數據中心的解決方案、汽車與工業設備，還是日常消費電子產品，各類設備的信號傳輸速率正以前所未有的速度提升。以PCIe 6.0為例，其傳輸速率已高達64Gbps；USB4緊隨其后，達到了40Gbps的速度；而并行總線DDR5也實現了每秒6.4Gbps的驚人速率。與此同時，高速總線的調制方式已經從傳統的NRZ演進至PAM4，甚至探索更高階的調制技術。此外，隨著CCIX、GenZ、CXL等新型總線技術的涌現，工程師們面臨著前所未有的挑戰。

如何提高PCB設計的成功率和效率，已成為工程師工作的重中之重。減少因返工造成的項目延期和成本增加，通過高速鏈路仿真優化設計過程，逐漸成為工程界關注的焦點。這種仿真方法不僅有助于應對上述挑戰，而且能夠顯著提升設計項目的經濟效益和技術表現。

高速PCB設計流程包含以下幾個步驟：

與傳統PCB設計相比，高速PCB設計在原理圖設計階段以及布線完成后都需要進行信號與電源完整性分析。在原型機測試階段需要加入相應的信號與電源完整性測試。

是德科技的先進設計系統（Advanced Design System，ADS）軟件是一個完整的高速電路仿真設計平臺，提供了完整的信號與電源完整性仿真解決方案。接下來我們從原理圖設計、版圖設計兩個角度進行描述。

原理圖設計

在ADS原理圖環境中，有三種仿真器可以用于信號完整性的仿真和分析：

一、S參數仿真器

無論是在信號完整性還是電源完整性的領域中，S參數被廣泛用于表征多種器件的特性，包括芯片封裝、傳輸線、過孔、連接器、線纜及電容等無源元件。對于一個完整的通道設計來說，往往需要對多個S參數進行級聯處理。在ADS（Advanced Design System）軟件中，用戶可以非常便捷地實現各類S參數的級聯，并靈活執行S參數仿真以及數據處理。

針對單個S參數，ADS提供了直觀的S參數查看器（S-parameter Viewer），使用戶能夠輕松檢查單端和混合模式下的S參數結果。此外，該查看器還支持驗證S參數的無源性、互易性、相位關系，并展示Smith圖，為工程師提供全面的數據分析視角。完成S參數仿真后，在數據顯示窗口中，用戶不僅能查看仿真結果曲線，還能進一步處理數據，如應用規范模板等操作。

通過S參數仿真的應用，工程師能夠在頻域中詳細分析通道的插入損耗（insertion loss）、回波損耗（return loss）、串擾（crosstalk）等關鍵性能指標，有效提升設計的準確性和可靠性。這種方法不僅簡化了復雜通道的設計流程，也為優化產品性能提供了強有力的支持。

二、瞬態仿真器(Transient)

瞬態仿真是時域仿真中的一種經典方法，能夠對多種重要參數進行分析，包括時域反射（TDR）、波形的上升和下降時間（Waveform rising/falling）、振鈴現象（Ringing），以及眼圖（Eye Pattern）等。在瞬態仿真過程中，可以將芯片的輸入/輸出模型（如SPICE或IBIS模型）與通道模型結合在一起進行綜合仿真。這種方法使得工程師能夠全面評估整個信號路徑的性能，優化設計以確保信號完整性和系統穩定性，并有效解決高速電路設計中的潛在問題。通過這種仿真手段，不僅提升了設計效率，還增強了對復雜電路行為的理解和預測能力。

三、通道(Channel)仿真器

對于高速串行總線而言，通常對誤碼率（BER）有著極為嚴格的要求，目標是將誤碼率降至極低水平。因此，在仿真和測試過程中，需要大量的采樣點或采用特定的數學算法以滿足精確分析誤碼率的需求。隨著信號傳輸速率的持續攀升，僅依賴芯片的基本驅動能力已無法克服信號在傳輸過程中不可避免的衰減問題。為此，高速串行總線的芯片設計中引入了加重和均衡算法，以提升信號質量。

在仿真領域，這種趨勢推動了新的分析方法的發展，特別是利用ADS中的通道仿真（ChannelSim）工具。完成通道仿真后，用戶能夠在數據顯示窗口查看包括波形、浴盆曲線（Bathtub Curve）、眼圖（Eye Pattern）在內的多種結果，以便全面評估信號完整性。此外，IBIS-AMI模型或行為級IO模型可應用于通道仿真中，為設計提供更精確的參考。若需建立IBIS-AMI模型，可以借助是德科技提供的SystemVue及ADS等系統仿真軟件來實現。

PCB的仿真

一、SIPro/PIPro仿真分析工具

ADS的版圖設計環境集成了全新的SIPro和PIPro仿真分析工具，為工程師提供了一種快速高效的方法來完成PCB設計中的信號完整性（SI）和電源完整性（PI）的布局分析及后布局仿真。SIPro和PIPro作為嵌入于ADS版圖設計環境中的功能模塊，擁有獨立的用戶界面和仿真引擎，能夠直接對版圖設計進行精確分析。

此外，ADS版圖設計環境支持多種設計文件格式的導入，包括但不限于ODB++、Gerber、IFF、EGS和Allegro Brd等，極大地提高了設計流程的靈活性和兼容性。這種集成解決方案不僅簡化了復雜PCB設計項目的管理，還促進了從概念到成品的無縫過渡，確保了設計在電氣性能上的優越表現。通過使用這些先進的工具，工程師可以更自信地面對日益復雜的電路設計挑戰，同時提高工作效率和設計質量。

SIPro/PIPro 包含以下功能：

1. PI-DC，用于直流電壓降分析

由于過大的直流電壓降，可能導致供電至IC電源端的電壓低于其推薦的最低工作電壓，從而引發IC故障。同時，如果過孔處的電流密度過高，可能會產生過多熱量，造成電路板損壞或燒毀，進而導致系統故障。為解決這些問題，PI-DC分析工具能夠計算在直流條件下的電壓分布、電流流動、IR Drop（電壓降）以及電源分配網絡的功率損耗密度等關鍵參數。

借助PIPro工具，工程師可以有效識別芯片及其他組件在直流工作條件下的管腳和連接過孔的電流密度，確保設計的安全性和可靠性。PIPro還能顯示芯片管腳的實際電壓，并提供與推薦值對比的設計裕量分析，幫助工程師評估設計風險。此外，仿真結果能夠自動生成詳細的報告，便于團隊成員之間的溝通和文檔記錄。這些功能共同助力工程師優化設計，預防潛在問題，提高產品的整體性能和穩定性。

2. PI-AC，用于 PDN 阻抗分析

PI-AC分析工具用于評估電源分布網絡（PDN）的交流阻抗特性，并能可視化顯示電流密度，幫助識別潛在的熱點區域。通過PI-AC，提取出的阻抗網絡可以直接轉換為ADS原理圖，進而與電壓調節模塊（VRM）模型及去耦電容進行優化整合。這項功能支持在仿真過程中添加多種元件模型，包括但不限于理想集總元件、S參數模型、元器件廠家提供的模型庫以及自定義電路模型等。

用戶可以為單個元件定義多種不同的模型，并輕松地在這些模型之間切換，以適應不同的仿真需求。PI-AC分析還支持一次性對任意數量指定的電源網絡進行分析，僅需更換元件模型即可快速獲取新的仿真結果，而無需重復執行電磁仿真流程。這種靈活性和高效性不僅加快了設計進程，還提升了對復雜電源系統設計的理解和優化能力，確保電源分配網絡能夠在不同條件下保持最佳性能。

3. PPR（Power Plane Resonance Analysis），用于電源平面諧振分析

電源平面諧振可能對敏感的模擬電路造成干擾，并產生過量的電磁輻射，這將導致設計難以滿足電磁兼容性（EMC）標準。通過電源平面諧振分析，可以計算出配電網絡（PDN）的自諧振頻率及其對應的Q值，從而為設計提供關鍵參數支持。

4.用于電熱聯合仿真的Electro-Thermal以及熱仿真分析Thermal

在電源完整性分析中，還集成了電熱仿真功能，實現了電力與熱效應的協同仿真。這一過程首先通過電源完整性仿真引擎（DC Drop）對電源分配網絡進行詳細仿真，以計算功率密度，并將這些數據傳遞給熱分析器。接著，熱分析器依據器件的功耗情況執行熱分析，評估溫度分布。系統會多次迭代這個過程，持續更新溫度值，直到仿真結果收斂。

5.Power-Aware Signal Integrity Analysis——用于與電源相關的信號完整性分析

平面。如果在提取信號走線的S參數時僅考慮參考地平面而忽略了電源平面，會導致仿真結果出現顯著誤差。為解決這一問題，SIPro采用了一種獨特的混合算法，能夠迅速且準確地提取包括過孔在內的信號走線與地平面及電源平面之間的頻域模型。

該頻域模型可以直接轉換成ADS原理圖，適用于多種電路仿真類型，如時域瞬態仿真（Transient）、通道仿真（Channel）、DDR總線仿真等。這種方法確保了仿真的精確性，使設計人員能夠在設計初期就識別并解決潛在的信號完整性問題。

6. CEMI（Conducted EMI），用于PCB 電源傳導仿真分析

隨著在電子產品中往往需要進行 EMC 的檢測分析，傳導就是 EMC 的一種。為了更好的發現、避免以及解決傳導的問題。在 PIPro 中可以利用 CEMI 對電路進行傳導的仿真分析。

7. 阻抗快速掃描

SIPro和PIPro的仿真速度相較于傳統的平面或3D電磁場仿真器提升了10倍以上，同時保持了極高的仿真精度，能夠與采用3D有限元法的仿真結果相媲美。這兩款工具擁有用戶友好的界面，簡化了仿真流程，并能輕松生成ADS原理圖以供電路分析使用。

它們支持對非規則結構進行仿真，并提供便捷的Back drill過孔設置功能，同時還允許用戶靈活定義信號端、電源端及參考端。此外，SIPro和PIPro配備了Python接口，使得電容模型庫的管理更為簡便高效。完成仿真后，SIPro/PIPro還能生成測試平臺（test bench），方便用戶在ADS原理圖中進一步開展電路分析。

總的來說，SIPro和PIPro為電路設計師提供了高效、精準且靈活的仿真解決方案，極大地提高了設計效率和靈活性，是現代電子設計不可或缺的利器。這些工具不僅加快了產品開發周期，還確保了最終產品的性能和可靠性。

二、EP-Scan電氣性能掃描軟件

SIPro和PIPro功能強大，特別適合專業的信號完整性分析師使用。然而，在設計階段，硬件工程師、PCB設計工程師以及測試工程師同樣需要關注信號與電源完整性問題。為了幫助這些工程師在布線完成后快速檢測系統的電氣性能，并及時發現初步的SI（信號完整性）或PI（電源完整性）問題，是德科技推出了EP-Scan（Electrical Performance Scan）電氣性能掃描軟件。

借助EP-Scan，硬件相關的工程師只需進行簡單的操作即可快速掃描并查看信號的電氣特性，識別潛在的信號完整性問題。這種簡便性使得非專業人員也能輕松上手，有效提升了設計流程中的效率和問題發現速度。當然，對于更為復雜的信號完整性挑戰，仍需依賴SI工程師的專業知識和技術，通過SIPro和PIPro進行深入分析和仿真來解決這些問題。

總的來說，EP-Scan為硬件工程師們提供了一個快捷、直觀的工具，用于初步評估和檢測SI與PI問題，而SIPro和PIPro則為深入研究和優化提供了強有力的支持，二者相輔相成，共同促進了電子產品的高效設計與開發。

EP-Scan可以通過簡單的三個步驟解決信號完整性分析中的瓶頸問題。

1.

使用EP-Scan，加載PCB布局設計或導入ODB++文件變得輕而易舉。接著，您可以選擇特定的網絡進行分析。更出色的是，您還可以為選定的網絡制定測試計劃，并選擇適用的電氣規范（EP-Scan內置了多種標準電氣規范，如PCIe、USB、DDR等）。根據所選的電氣規范，可以對阻抗、延時、插入損耗和回波損耗等關鍵指標進行詳細分析。

2.

進行電氣性能掃描的過程非常簡便，只需一鍵點擊即可運行所有預設的測試計劃。每當設計有更新時，您都可以自動重新運行EP-Scan中預先設定的測試計劃，以便快速檢查信號完整性問題并獲得即時反饋。這種方法使得在設計修改后能夠迅速驗證其穩定性和可靠性，確保每一次調整都不會引入新的問題。

3.

在完成信號完整性分析后，EP-Scan提供了一鍵生成詳細報告的功能，極大地簡化了結果展示和存檔流程，避免了繁瑣的手動復制粘貼工作。通過這一功能，您可以輕松分享分析結果給團隊成員或管理層，并記錄設計的進展與改進情況。

通過這三個簡單的步驟，EP-Scan為硬件工程師提供了一款便捷高效的工具，極大地簡化了分析流程，節省了寶貴的時間和精力。它有效地突破了性能驗證的瓶頸，使您能夠將更多注意力集中在設計的優化和改進上，從而更快地將產品推向市場。利用EP-Scan，不僅提高了工作效率，還加速了創新過程，確保您的設計在滿足高標準的同時，也能迅速響應市場需求。

EP-Scan 生成的測試報告

在上述內容中，我們簡要探討了大數據時代對高速PCB設計帶來的挑戰，并說明了如何利用ADS和EP-Scan這兩種工具提升設計工程師的工作效率。值得注意的是，大數據時代的來臨不僅對高速PCB設計提出了更高的要求，同時也為設計師們帶來了更加優越的協同工作環境。

在這個背景下，云計算技術顯得尤為重要，尤其是在工程領域需要快速生成仿真報告的情況下。通過釋放計算資源的強大算力，可以更充分地發揮仿真工具的潛力。ADS提供的HPC（高性能計算）加速服務顯著提升了工程計算的速度，使得設計團隊能夠在最短時間內獲取仿真結果，進而提高項目的產出效率。

此外，使用Cliosoft等工具，設計團隊能夠在云平臺上實時共享設計文件、模型和數據，支持多地協同設計。這種方式極大地加快了設計流程，增強了團隊合作的效率。總的來說，大數據時代通過提供先進的計算能力和高效的協作平臺，不僅提高了高速PCB設計的復雜度和要求，也為解決這些問題提供了強有力的支持，推動了整個行業的進步和發展。