PCB是硬件产品非常关键的重要载体和支撑,在整个硬件开发中是至关重要的,而高速设计最主要的起源就是传输线理论,所以讲高速设计我们必须从PCB设计的角度去展开。

对于PCB设计可以这样理解,集成电路和芯片的集成度越来越高,系统也变得越来越小,硬件的设计也就趋于简单,更多的设计会嵌入到芯片、软件之中。所以硬件开发过程中的很多重点都是在PCB的实现和整个工程设计上面。

PCB设计又有一些射频、热的问题,包括高速、SI/PI的问题等等,这些问题在某种程度上我们可以总结成工程实现的问题,要把硬件做好,工程设计至关重要。

而高速设计为什么越来越重要呢?

因为速度变得越来越快了,越来越多的数据的传输、处理需要更高的带宽,更高的速度。我们也可以这么理解:是Big Data驱动高速接口协议演变加快。现在56G传输已经商用化了,112G的传输协议也即将完善。

提到中国高速设计不得不提一下华为,因为华为是中国最早开始从事专业高速设计的公司,华为高速互连设计的历史就是中国高速设计应用的起源。我95年加入华为,98年开始进行高速设计技术研究,当时主要以单板仿真为主。

那时的华为做了一个新的传输项目——662M,现在看来不值一提,但是在当时是没有人敢拍板这个下一代的传输产品到底做不做,基于华为在之前有一定的高速仿真分析和积累,我建议由互联部牵头成立一个项目组,当时代号叫“1011”,然后华为的每个产品线出几个工程师和代表参与我们的项目组,所以这也是一个跨团队的项目组,包括传输、无线、交换等等部门。

通过前期的有效工作,我们最终攻克了“1011”项目的各种难题,为什么当初很难,现在看起来简单了呢?

因为最开始首先面临连接器的问题,从高速电路的设计上来讲可供选择的芯片不多,都是进口的,唯一能做的就是无源设计这一块,一个是PCB,一个是连接器。

在无缘这一块,当时的连接器也不像现在这么高速、专业、有好的保护措施等等。当时完全是针脚式、阵列式的。所以这个时候连接器的选择非常关键。

经过严格的挑选,从阻抗、控制等参数考虑,我们选择了Ampleon,然后就要考虑电信号、如何有效分配等问题。

那么电地管脚又如何有效分配呢?如果我们做的很饱和,把每一对差分对都包上地、针脚。这个板就需要很多连接器,会做的很大,像这种方案肯定会被否定的。这时候就面临选购和连接器适应的信号地。

另外一个很关键的就是PCB。在原来,我们还没有阻抗控制的说法,通过和友商、生产线的通力合作才最终克服各种难题。

终于在1999年,622M高速背板才最终设计成功。

“1011”项目成功后,华为才建立了专门的高速背板项目组,启动了华为的高速实验室建设,并在2000年正式成立了SI研究部,正式把高速仿真设计嵌入到华为的硬件开发流程里。

后来在连接器的基础上,华为又开始了封装的选型与管脚优化。

当时海思的前身叫ASIC(超大规模集成电路)设计部门,那时候他们做封装是比较随便的,有时过度设计就选大封装,后来通过高速设计的有效控制,一是降低了芯片的成本,二也保证了芯片的性能。

所以要讲中国高速设计历程,还是离不开华为的。

在高速设计发展的过程中,我们也与外界做了很多交流,比如当时的江南计算技术研究所做超算非常厉害。那时候他们也没有高速仿真,而是采用工程设计规范,因为是国家项目,所以可以不计成本,他们在前期进了大量充分的测试和实验,然后制定非常严格的设计规范化标准,最后才开始整机的设计和制造。

但是我们做商业化产品不可以这样,因为成本太高,周期太长。幸运的是当时与江南计算技术研究所的合作给华为提供了许多支持。

后来随着不断发展, 我认为华为现在已经是国内最先进的高速设计公司了。像19年华为有一个十大发明,其中排名第二的技术叫全光交叉的互联系统,速度高达1PB,等于1000个TB。可见这项技术的厉害,当然这个技术的成功离不开华为在高速设计上的积累。

再跟大家分享一个学习和进步的途径。

最早我们做单板仿真用IBIS模型居多,随着国内在高速仿真上的一些积累和应用,慢慢对高速需求越来越多。

于是在各方的努力下,IBIS峰会于2005年进入中国。会议的目的主要是对IBIS和互连模型技术进行研讨,欢迎所有的IBIS和互连建模技术人员以及EDA厂商和电子电路设计人员参加。大家有机会的话都可以去参加,华为也进入了IBIS的委员会,相信会对国内高速设计发展起到很大帮助作用。

再跟大家分享一下高速设计应用的关键点。

首先是人才的问题,我们的人才需要具备哪些能力。

1、首先要具备电磁场传输线理论基础,否则无法理解高速设计中的一些理念;

2、要理解各种高速标准协议;

3、理解硬件系统/芯片产品体系架构;

4、理解PCB/封装/芯片设计与工艺,否则制定的规则是无法落地的;

5、具备EDA工具的应用能力。

所以说培养一个战略性高素质人才是比较困难的,当时我们开始做高速设计的时候也面临很多困难,好的知识和书籍比较少,国内没有译本,只有美国有。

于是我们就去了美国,当时也没有信用卡,就拿着100美金的大钞去买一书——《HIGH-SPEED DIGITAL DESIGN》,等了三个小时才给我们把零钱找开。

后来这本书回到了华为,盖上了华为常用书的图章,并扫成了PDF,逐渐流传到国内各大网站和论坛中,很多早期从事高速设计的工程师应该都见过,上面有华为的印章。

再看一下仿真与测试验证这两个应用的关键点。

首先要明确一点,仿真不可能与真实的结果一抹一样,所以仿真的精度够用就好,能满足我们的设计要求就可以,不要无限追求精度,要记住我们仿真的目的是什么。

另外,仿真与测试要验证,要闭环。通过不断的仿真测试、循环闭环来发现我们设计的问题和缺陷,提高我们的水平,测试、验证是非常关键的因素。

同时,在高速设计中,测试也是建模的重要手段,精通测试也可以成为专业人才。然而做高速测试并不简单,须知高速实验室的费用非常昂贵,比如一个67G的示波器就要两三百万,随便搭一些配套设备就要上千万。

所以,建立专业的高速实验室很有必要,可以为一些用不起建模平台的公司使用。像国家已经投了很多钱,在各个大城市建立ICBase,统一采购EDA公司的工具等等提供给小公司使用和开发,因为小公司肯定无法负担EDA工具和芯片工具的费用。

面对中美贸易战的不断加剧,我们还是很有必要去整合一些社会化的资源,去协同发展,才能避免被卡脖子。如果每个人都单打独斗肯定是PK不过美国科技企业且发展会很慢。

比如电巢科技就投资了一个上千万的开放实验室,这点非常好,希望国家政府和有能力的企业也将类似资源社会化。

以上主要是讲高速设计应用角度来讲的。接下来再跟大家分享一下关于高速软件开发的一些看法。

中国目前EDA的大环境是怎样的?

目前国内有1500人的EDA软件开发工程师,主要在外企。而本土EDA公司和研究单位工作的工程师只有300人左右。有一部分原因是因为国内高校以前没有EDA专业,但是随着中美贸易战程度的加深,国家已经开始在四所试点高校设EDA专业。目前为止,我们还是比较缺乏人才的。

另外EDA也是一个高投入的行业,像全球大的EDA开发公司,研发投入占销售额的40%以上,如Synopsys在2018近一年的研发投入约为10.8亿美元,Cadence在2018年的研发投入约为8.7亿美元。反观中国,本土最大的EDA龙头企业华大九天,过去十年间所投研发资金也只有几个亿,差距实在太大。

还有一个因素,EDA市场和消费电子等市场是不一样的,全球EDA市场基本很稳定,每年都是100亿美金,年复合增长率在6-8%。

其次缺乏好的生态环境,应该把好的一些硬件方法进行总结归纳,来提高我们的效率,解决我们日益复杂的设计要求,如果没有EDA设计的芯片客户、公司,又怎么能知道针对下一代EDA的开发需求呢。

同时也缺乏与先进设计应用/工艺相结合,PCB还好一点,在芯片领域的差距很大,目前国内最先进的就是中芯国际的4nm技术,台积电的7nm工艺华为目前也有了,但是今年台积电准备上5nm工艺的项目了,我们目前可能还没有规划,差了几代工艺。

还有一个盗版问题,因为EDA的投入大,产出长,如果客户买copy版的会很便宜,但是EDA公司没钱赚,他又怎么能走上一个良性循环发展的轨道上呢?

很久以前就有很多人问我,说你能不能牵头做一个EDA、PCB设计的公司啊。我说可以啊,但是中国目前没有这个环境,这么大的资金投入进去,因为盗版可能正版都没人用,我怎么养活这帮人呢?

不幸中的万幸是,中美贸易战让盗版问题出现了转机。已经不是我们想不想做的问题了,而是不做就死。

比如说现在所有EDA工艺都是被美国控制的,把对中国业务停掉以后,中国企业说那我不做EDA设计了,我也不做新产品开发了。这样的企业能活过一年,撑过两年,但是迟早要死的,因为你不会有新的东西出来。

中美贸易战也让EDA突然火了起来,很多人嚷着要做EDA。但是真正要做一个成功的商业化EDA,必须有政府大力支持,国家意志介入。包括现在一流的EDA公司,如Cadence在当时的美国复兴计划中的到了一千八百万美金的财政支持,更重要的是要有核心团队的坚持。

不要想着在这个行业里挣快钱,打个比方,我要做一个EDA规划方案,要想使其商业化成功,这个规划我可能要做十年时间!3-5年,可能只能出一个比较好的框架,有基本功能的东西。

再看看Cadence仅在layout上的工程师就要一百多人,平均每人就算只要十万美金的年薪,养一个这样的团队得花多少钱?

回到中国高速设计仿真的话题上来。

2002年我正式加入Cadence的研发团队,后来负责Cadence全球的PCB封装高速仿真软件开发。我比较骄傲的一点是,当时我们上海本土团队成功独立开发了PIR等一系列好产品,同时也做一些面向未来的技术研究。

后来2004年,Sigrity也在上海建立研发团队。

而本土仿真软件的开发主要是两家。

一家是Xpeedic(芯和半导体科技),他们主要提供一些连接建模、参数、通道分析等等产品和服务。

另外一家是无锡飞谱电子,主要侧重电磁场仿真技术。

所以在仿真领域,国内企业还是有一定基础的。

下面再跟大家讲一下高速设计仿真分析软件开发的关键点。

在高速设计仿真分析软件的开发中,最重要的是电磁场解析器。不论是Sigrity,还是芯和、飞谱电子,他们的起源就是有独特的电磁场解析技术。

常用的电磁场仿真技术有很多,如时域有限差分法(FDTD)、有限元法(FEM)、有限积分技术(FIT)等等。除了这些技术,还有一个很重要的是Mesh,因为我们要对目标对象进行分解,规则均匀的部分我们画大一点,越不规则、不连续的地方我们画细一点,这个Mesh划分也是非常关键的。

另外一个比较重要的就是电路仿真器,现在所有商用化的都是基于SPICE的,SPICE是一个开源的算法工具,所以电路仿真器的问题比较容易。因为电路比较好懂,把模型建出来,用电路一搭,用仿真一实验能跑的出来,能满足性能要求就可以了。

新的技术研究不是很多,但其中有一个LIM(latency insertion method ),主要是和大规模网络的损态的分析和电路分析,这是它的特色。

还有一个很重要的开发环节,即工具开发与应用验证。通常我们把一个原型做出来会各种验证,验证算法没问题我们会再去做工具的开发、流程的开发,这时就要考虑工具和应用的结合,包括流程的应用性、数据管理、仿真结果的处理等等,这些都是属于应用层的。

高速设计仿真分析软件开发主要就是从这些方面考虑。

现在国家和很多机构都在规划国产EDA,从互联设计的角度来讲,由于像Cadence等外企在国内都有研发团队,相对来说这么多年也储备了很多国内的人才,国内很多高校也培养出了一批很好的学生,国产EDA是一个很好的方向和机会。

最后,想和大家分享一下我对高速设计发展趋势的一些见解。

首先,很明显的趋势就是硬件芯片化、软件化,高速设计也是如此。

随着高速设计的速度越来越大,可以明显的看到从PCB板级为中心前移以封装/芯片设计为中心。Shift-left是ARM提出来的,通常我们的研发周期是先做架构设计,然后再做硬件,再做软件,然后作出验证,然后再做客户的早期试用再做量产。

随着技术的发展,可以让软件的开发和硬件同步,比如说我做一个SOC,一个系统开发之后,就可以做原型验证,这时候可以把我的软件加进来做DEBUG,来优化我的设计,我还可以利用硬件加速器去做仿真,包括软件的。

另外,7nm、3nm等工艺的需求驱动硬件集成度越来越高,台积电今年5nm已经准备商用,他们也已经开始了2、3nm的规划。

随着高速越来越大,硬件越来越小,所以设计方面一定要提前安排,在芯片设计前期统筹安排解决高速设计问题。

高速设计发展趋势二:混合仿真技术。

高速仿真我们从最开始SI和PI是分开做的,后面我们肯定要考虑SI加PI的混合仿真,就是Power-Aware SI。

我们可以先看一下,燧原科技今年会上市他的第一款人工智能学习芯片,“云燧T10”。这个芯片是14nm的,由FinFET工艺打造,总计141亿个晶体管,功耗220W...所以说,电和热也是我们必须要考虑的。

几年前,在Cadence的时候我规划了一个项目,叫热电路仿真,大家知道传统热仿真是结构、空气流道、环境温度的仿真,Cadence则是考虑把电路模型提取出来,这叫损态热仿真,然后与传统热仿真结合,来实现电热的系统仿真,所以今年他们发布了一个新的电热仿真产品,叫Thermal Solver,这也是混合仿真的一个趋势。

在2000年初期有一种方案,就是芯片公司提供一个数据包,里面有验证好的仿真模型、常用的图谱结构、设计规则,甚至包括PCB设计原理图、应用文档等等,客户拿到后很快就能开始硬件的设计,从而缩短自己的设计周期。

随着仿真工程的越来越大、越来越普遍,这时候我们就要考虑Batch Simulation——仿真平台、仿真自动化。我们可以看下这张图。

这是当时我在Cadence主推的,与展讯合作的。

大家知道展讯是做手机套件的公司,手机上也有很多高速信号,但是很多公司根本就没有手机设计能力,当时我们就帮他们建了一个高速仿真平台,通过平台把工具嵌进去,展讯的设计公司把layout做完,然后再上传到展讯的服务器,因为芯片是他们自己开发的,所以仿真参数的设定都是正确的,再自主完成相关的SI和PI的仿真,完成后再出一个定制化的仿真报告,再推送给他的设计公司,有问题就优化,没有问题就可以进入生产,这样就大大提升了仿真效率。

由于现在仿真规模越来越大,越来越难,所以我们以前用仿真软件都会多线程多核处理,后面还要支持分布式计算,现在我们要支持超算。刚才我们举的例子,飞谱电子和江南所做超算,他已经可以通过超算来提供服务了。

以上就是我对未来发展趋势的展望。

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