Nell'industria elettronica, i team di ricerca e sviluppo utilizzano spesso la simulazione numerica per esplorare le prestazioni dei dispositivi in fase di progettazione. La simulazione consente di fare analisi sui componenti e sui sistemi che le prove di laboratorio non sono in grado di fornire - in alcuni casi, i test fisici non sono nemmeno considerati come strumenti di investigazione. È possibile simulare un intero sistema all'inizio del ciclo di progettazione ed esplorare eventuali problemi e valori di parametri per individuare possibili fonti di fallimento del sistema molto prima che essi siano inclusi nel processo di design. Moderni metodi di simulazione usufruiscono di hardware avanzati e di nuovi metodi numerici.
Gli ingegneri che progettano i server informatici, i dispositivi di storage, i Pc multimediali, i sistemi di intrattenimento e di telecomunicazione stanno guidando la tendenza del settore a sostituire i vecchi bus paralleli condivisi con interconnessioni elettriche punto-punto ad alta velocità. Interfacce standard come Xaui, Xfi, Serial Ata, Pci Express, Hdmi e FB-Dimm, sono emerse per fornire una maggiore capacità di trasmissione utilizzando rate seriali di segnali da 2,5 Gb/s a 10 Gb/s. Anche se questa tendenza ha notevolmente ridotto il numero di tracce e connessioni all'interno del sistema, ha creato nuove sfide per i progettisti di sistemi elettronici che devono considerare l'implementazione con connettori multipli, linee di trasmissione, vias, IC packaging e ricetrasmettitori. Velocità molto elevate richiedono l'uso di tecniche di simulazione elettromagnetica avanzate full-wave per catturare il comportamento delle interconnessioni.
Simulare il canale Pci Express
Pci Express (Peripheral Component Interconnect Express) è un bus standard seriale ad alta velocità utilizzato in quasi tutti i Pc per collegare la scheda madre alle schede di espansione e a schede aggiuntive. Questa interfaccia ad alta velocità invia segnali digitali attraverso una serie di singoli componenti. I segnali viaggiano dal trasmettitore al ricevitore attraversando l'IC package, il socket IC, la scheda del Pc, il connettore e la board Pci fino ad arrivare al secondo IC package. Ogni componente può disturbare il segnale mentre si propaga dal trasmettitore al ricevitore. Gli ingegneri progettano i componenti per minimizzare le riflessioni dei segnali e le perdite per ottenere comunicazioni affidabili e, per farlo, devono capire come tutti i componenti interagiscono tra loro all'interno del sistema completo.
Ogni componente ha il proprio set di parametri regolabili. Una linea di trasmissione sulla scheda madre, per esempio, ha diversi parametri, tra cui larghezza della traccia, spessore e spaziatura tra le tracce; la costante dielettrica per il substrato; lo spessore del substrato; e difetti di fabbricazione delle tracce quali over- e under-etching. Un altro componente comune in un circuito stampato è il via che consente alle tracce di passare da un layer ad un altro. Tale via, insieme ai campi elettrici e magnetici associati, può essere simulato utilizzando Ansys HFSS.
La geometria ha numerosi parametri, compreso lo spessore del substrato, la costante dielettrica, la configurazione di routing (input layer, output layer), lo spessore del via, il diametro del pad, il diametro dell'anti-pad e la lunghezza dello stub del via. Considerando tutti i componenti coinvolti nella interconnessione (come mostrato nell'illustrazione), ci potrebbero essere 30 o più parametri che influenzano le prestazioni se tutte le possibili variazioni sono incluse. Il progettista varia questi parametri su un range predefinito per ottimizzare il progetto dal punto di vista delle prestazioni. Naturalmente, ciascuno di questi parametri ha specifiche tolleranze di realizzazione, il che è particolarmente importante considerando che numerosi vendor possono essere selezionati per fornire materiali e componenti. La sfida per l'ingegnere, pertanto, è quella di trovare un design adatto all'interno dello spazio di progettazione che è allo stesso tempo robusto e resistente alle variazioni di design e alle tolleranze di fabbricazione. È facile illustrare il vasto spazio di soluzione che può svilupparsi quando ciascuno dei parametri ha valori diversi. Per esempio, se ciascuno dei 30 parametri ha tre valori scelti in un range predefinito, il numero totale di combinazioni possibili è 330, ossia più di 200 trilioni di combinazioni! Non è possibile misurare tutte le combinazioni. Anche capacità di simulazione potenti non possono fornire una copertura completa di un così vasto ambito di soluzioni. Per affrontare questo problema, una tecnica diffusa è quella di avvalersi del Design Of Experiments (DOE) e della superficie di risposta. La superficie di risposta consente al progettista di modellare e prendere in considerazione tutti gli aspetti di un canale ad alta velocità, nel rispetto di un modello statistico di output della simulazione in funzione delle variazioni delle variabili di input. Una tabella Doe viene usata per selezionare i punti di design da risolvere per costruire il modello statistico. Condizioni ottimizzate e scenari worst-case sono ottenibili all'interno del set di tutte le possibili combinazioni di design.
Procedura di simulazione per Doe
Per applicare il metodo Doe a questo esempio di interconnessione ad alta velocità:
Passo 1: Assemblare il canale Pci Express utilizzando un simulatore di sistema (Ansys DesignerSI). Collegare questo canale a modelli elettromagnetici per tutti i componenti (package Bga, connettori, circuiti stampati, ecc).
Passo 2: Selezionare le variabili per lo studio Doe e gli output associati osservabili. In questo caso, gli output selezionati sono altezza e larghezza del diagramma ad occhio.
Passo 3: Lanciare Ansys DesignXplorer e impostare il range di variabili.
Passo 4: Creare una tabella Doe in DesignXplorer. La tabella viene quindi passata a DesignerSI, e la simulazione completa parametrica viene eseguita. La licenza Dso (Distributed solve option) accelera le simulazioni lanciando parametri multipli contemporaneamente su un cluster di calcolo.
Passo 5: I risultati del circuito di simulazione ottenuti da DesignerSI vengono passati al DesignXplorer. DesignXplorer produce un modello di superficie di risposta statistico. Possono essere visualizzati plot di sensitività e condotte analisi six-sigma.
Per questo esempio, gli ingegneri hanno utilizzato DesignXplorer per creare una tabella Doe lanciando 2.001 simulazioni indipendenti in DesignerSI per il canale Pci Express. Per ciascuna di queste 2.001 simulazioni, i valori dei parametri sono stati selezionati in un range come specificato dall'utente, ma le combinazioni uniche di questi parametri sono stati impostati automaticamente da DesignXplorer per ottenere risultati statisticamente indipendenti. Per risolvere gli scenari richiesti rapidamente, è stato impiegato Dso con Ansys Designer. Sono stati impiegati otto solutori in parallelo, sfruttando tutti gli otto core su un desktop server.
Un'utile tecnica grafica è impiegare DesignerSI per produrre un diagramma ad occhio del segnale come osservato al ricevitore. Un'ampia sequenza di segnali digitali è inviata dal trasmettitore con eventi alternati che si verificano per rappresentare un “1 “ o uno “0” digitale che rappresenta un segnale ad alta o bassa tensione. La combinazione di questi eventi alternati simulati uno sopra l'altro risulta in un diagramma ad occhio. Un occhio aperto con ampia altezza e larghezza è un'indicazione che un segnale ricevuto può essere rivelato in modo affidabile. Un occhio chiuso significa che l'oscillazione e la velocità del segnale sono insufficienti per una rivelazione affidabile. Il diagramma ad occhio rappresenta il comportamento del canale Pci Express quando un gran numero di sequenze di bit vengono inviate attraverso il canale. Esso mostra anche il risultato di variare un sottoinsieme dei 30 parametri su un insieme di 2.001 sperimentazioni, come impostato nella tabella Doe. Alcune combinazioni di parametri risultano in un occhio sostanzialmente chiuso, ad indicare un punto di cattiva progettazione. Una superficie di risposta completa per l'altezza e larghezza dell'occhio può essere generata, fornendo all'ingegnere informazioni sui parametri che hanno il massimo effetto positivo o negativo sulle prestazioni della interconnessione. L'ingegnere può ottenere risultati Doe per diversi parametri significativi nelle simulazioni di interconnessioni Pci Express. La lunghezza della traccia Pci sulla scheda periferica ha avuto il più grande impatto negativo sulla apertura dell'occhio, seguito dalla lunghezza della traccia principale sul Pcb. Gli ingegneri possono utilizzare questa analisi per rilevare i parametri più significativi sulle prestazioni del sistema. In questo caso, una più accurata selezione del design della scheda periferica Pci o dei materiali per ridurre le perdite potrebbe migliorare questo design.
Influenzare la progettazione guidata dalla simulazione
La simulazione numerica avanzata unita all'high performance computing consente agli ingegneri di simulare prodotti completi e di esplorare completamente lo spazio di progettazione, come ad esempio accade nelle interconnessioni seriali ad alta velocità. La simulazione consente di creare un prototipo virtuale del sistema in modo che l'analisi di progetto, le variazioni parametriche e l'ottimizzazione vengono eseguite prima di costose attività di prototipazione, test di laboratorio e produzione.
In passato, le simulazioni potevano supportare solo una singola fisica, un singolo utente, un singolo componente, e solo alcuni punti di design. Con i moderni hardware e software ad alte prestazioni è possibile avvalersi dell'approccio Simulation-Driven Product Development per includere più fisiche, simulazioni circuitali e di sistema e simulazioni multi utenti e multiscala con ottimizzazione parametrica ed esplorazione del design.
Soluzioni Hpc affidabili per la simulazione elettromagnetica
Per sfruttare l'approccio 'robust design', metodi Hpc consentono approfonditi studi elettromagnetici di essere distribuiti attraverso una rete di computer (cluster) per risolvere grandi problemi volumetrici 3-D, per testare i materiali e variazioni geometriche attraverso sweep parametrici e di risolvere il tutto al variare della frequenza.
• Decomposizione del dominio - Il metodo di decomposizione di dominio o Ddm (Domain Decomposition Method) distribuisce una simulazione su più core in rete per risolvere analisi molto complesse. Il Ddm genera una mesh continua a elementi finiti su tutta la struttura, che poi suddivide e usa una tecnica parallela di memoria distribuita per distribuire la soluzione per ogni sottodominio di mesh ad un network di processori. Ciò aumenta notevolmente la capacità di simulazione. La decomposizione del dominio è altamente scalabile per un gran numero di processori e sfrutta il multithreading all'interno dei sottodomini della mesh per ridurre i tempi di soluzione dei singoli sottodomini.
• Decomposizione spettrale - Il metodo della decomposizione spettrale o Sdm (Spectral Decomposition Method) distribuisce uno sweep in frequenza su una rete di core per accelerare la risoluzione di ogni punto in frequenza. Questo metodo può essere utilizzato accoppiato con il multithreading, dato che questo velocizza l'estrazione di ogni singolo punto di frequenza, mentre la decomposizione spettrale risolve molti punti di frequenza in parallelo. L'Sdmè scalabile per un gran numero di core ed offre una velocità di calcolo significativa. La tecnologia Sdm è disponibile per Ansys HFSS, HFSS-IE e per Sentinel PSI di Apache.
• Soluzione distribuita - L'opzione HFSS distributed solve accelera gli sweep di variazioni di design distribuendo iterazioni di progetto attraverso una rete di processori. Lavora in sinergia con il multithreading per aumentare la velocità di esecuzione di ciascuna iterazione di design. HFSS Dso offre un aumento di velocità quasi-lineare al di sopra dei convenzionali sweep di progettazione ed è scalabile per un gran numero di core.
