芯和半导体针对高速连接器产品提供仿真EDA解决方案
前言
5G网络、物联网、虚拟现实、智能汽车等行业的快速发展使得数据量呈现爆发式增长。具有信号传输功能的连接器在性能上需要不断优化升级，使其达到高频高速传输的特性，来满足这些行业超高数据传输速率的需求。如何对连接器的高速性能进行快速评估？有没有一套系统的分析方法，应对高速连接器复杂的设计仿真问题？
连接器市场概况
连接器作为连接电子产品模块、设备、子系统的桥梁，起到电源传输和信息交换的作用。它广泛应用于航空航天、军事装备、通讯、计算机、汽车、工业、家用电器等领域，可以增强电路设计和组装的灵活性，，是构成整机电路系统电气连接必不可少的基础元件，已成为电子信息基础产品的支柱产业之一。近年来，受益于新能源汽车、数据与通信、电脑及周边、消费电子等下游行业的持续发展，全球连接器市场规模总体呈扩大趋势。数据显示，连接器的全球市场规模在2020年已达到 627.27 亿美元。连接器下游行业庞大的市场需求，为连接器的发展创造了广阔的市场空间，未来连接器市场规模将不断增长。以中国为代表的新兴市场呈现强劲增长的趋势，成为推动全球连接器市场增长的主要动力。数据显示，2020年全球连接器市场中，中国销售额占比达到 32.18%，已经超越北美、欧洲等地区，成为全球最大的连接器市场。
连接器行业面临的挑战
1. 不断增加的数据传输需求
5G通信、云计算、人工智能、物联网、大数据等新兴行业及应用，带来了数据流量爆发式增长，更高的数据传输速率已经成为几乎所有系统的必须。为了满足数据流量的传输，高速串行链路协议，如PCIe、SATA、SAS、以太网、USB和Infiniband都规划将数据速率增加一倍。随着数据速率的增加，对连接器传输速率和密度等提出了更高的要求。然而，超高的传输速率和密度在连接器设计过程中将引起包括信号阻抗不连续、信道间串扰以及不对称的模式转换等一系列高速信号完整性问题。
2. 系统化的连接解决方案需求
随着连接器应用的复杂化及产品开发过程中分工的专业化和精细化，客户对连接器厂商的需求逐步由提供“单纯的连接器产品”向提供“系统连接解决方案”转变。这就要求连接器厂商能够提供完整的技术服务，在客户产品设计初期就能参与进来，和客户就产品需要达到的速率、带宽等性能方面进行交流和沟通，协助制定产品方案。连接器厂商通过融入客户产品开发，能够获得整个供应链的同步信息，从而及时了解客户需求情况，协助客户对其产品进行优化，增强自身产品市场竞争力。系统连接解决方案包括参与客户产品方案制定，协助客户进行连接器、板材、高速线缆等连接器相关组件进行选型，指导客户进行连接器管脚阻抗优化以及对系统链路进行性能评估，这些需求对连接器厂商提出了更多、更高的要求。
3. 快速迭代的产品开发需求
连接器属于安防设备、通信设备、消费电子、计算机、汽车、轨道交通等行业的配套产业，用途广泛。由于不同客户对连接器的需求不同，导致相关产品种类繁多、规格繁杂，这就要求连接器厂商必须具备较强的市场信息捕捉能力和产品快速研发设计能力，以缩短反应时间，及时根据下游产品的快速更新而不断研发新产品。
综上所述，在高速连接器的设计中我们将面临“不断增加的数据传输需求、系统化的连接解决方案需求、快速迭代的产品开发需求”等诸多挑战。接下来，我们将为您介绍芯和半导体高速连接器仿真解决方案是如何解决上述难题的。
芯和半导体高速连接器仿真解决方案
芯和半导体是国产EDA行业的领军企业，其自主知识产权的EDA产品和方案在5G、智能手机、物联网、人工智能和数据中心等领域得到广泛应用。针对高速连接器产品，芯和半导体提供了一系列仿真EDA解决方案。
1. 三维全波电磁场仿真工具
芯和半导体Hermes 3D内嵌的三维全波高精度电磁仿真引擎可以支持从直流到太赫兹的频率范围，完全满足高速高频等应用精度要求，并可以完美支持纳米到厘米级别的跨尺度仿真。
Hermes 3D使用精细化网格加密技术，利用初始网格可以快速解算并提供场解信息，然后只在需要的区域将网格加密细化，其迭代法求解技术节省计算资源并获得最大精确度。必要时还可方便地使用人工网格化来引导优化加速网格细化匹配的解决方案。
Hermes 3D强大的参数化扫描功能通过改变焊盘、叠层、走线等属性进行假设分析，并可方便地对比结果曲线，并支持导出到HFSS的功能，输出的文件格式包括可编辑模型结构的vbs脚本和快速导入的python脚本供用户选择，从而快速建立模型。
图1 Hermes 3D电磁场仿真流程
2. 连接器组件快速建模仿真工具
针对连接器应用过程中涉及到的高速线缆、PCB管脚、传输线等组件，芯和半导体提供了一套高效便捷的建模仿真工具集。
对于高速线缆建模和分析，芯和半导体的CableExpert软件，提供了一种快速、便捷的创建模型的方法，可以实现Twinaxial、Twisted、Coaxial、 LVDS、Type-C等常用线缆的建模和快速仿真。CableExpert帮助设计工程师快速修改线缆几何尺寸，了解线缆性能变化。同时也可以导出模型到第三方软件中进行协同仿真。
图2 CableExpert 软件主页面
对于高速通孔建模，芯和半导体的ViaExpert软件提供了一种快速、准确的连接器管脚建模方案。用户在预布局阶段可以使用该工具快速构建连接器管脚footprint模型，并检查关键信号的信号完整性问题，包括差损、回损和串扰。用户也可以导入 Allegro 版图文件，进行过孔和出线的后仿真分析。通过设置偏差变量，可以仿真模拟加工层偏、孔偏对信号完整性的影响。
图3 ViaExpert 连接器管脚footprint优化
对于传输线建模和分析，芯和半导体TmlExpert软件提供了一种快速、准确的方法来分析传输线的传输特性，内置的蛇形线、Tabbedrouting、微带线和带状线等，玻纤线，网格地线等模板，能让用户快速建立仿真模型，强大的三维全波段电磁仿真求解器能快速得到传输线阻抗特性，串扰和延时等信息。
图4 传输线的建模与仿真
3.系统链路仿真工具
芯和半导体系统级的建模和仿真工具ChannelExpert，内置了先进的时域仿真引擎、电磁场仿真引擎和频域级联技术，提供了一种快速、准确和简单的方法来评估、分析和解决高速通道信号完整性问题。设计者通过编辑该软件的原理图界面，可以添加不同组件的层偏、孔偏、粗糙度、刻蚀精度、压合流胶、连接器偏差、装配长度等变化的参数模型，将不同的模型做变量扫描分析。设计者通过对工艺、温度参数的变量扫描，可以快速检查不同环境下的关键路径信号完整性指标，如插入损耗、回波损耗、眼图、串扰等。
图5 ChannelExpert系统链路仿真
4. 定制化解决方案
芯和半导体针对连接器客户的痛点，为连接器厂商定制了基于网页的S参数级联与生成报告系统。该系统基于芯和半导体S参数处理软件SnpExpert进行深度定制开发，借助于SnpExpert软件在S参数处理方面的强大功能，结合了终端客户的最新一线需求，帮助客户快速高效进行连接器性能评估及选型。在这个系统中，连接器厂商的仿真工程师只需要提供器件S参数，进行系统的数据维护。连接器客户可以直接登录系统，选择连接器类型，查看性能、与电缆等组件模型级联进行链路评估并能生成报告，整个流程简单易用，直观清晰。
图6 连接器S参数级联与生成报告系统
总结
本文介绍了高速连接器设计中面临的诸多挑战。芯和半导体应对这些挑战，推出了高效的高速连接器仿真解决方案：借助芯和半导体自主产权的Hermes 3D、CableExpert、ViaExpert、TmlExpert、ChannelExpert等设计仿真工具，，为客户提供了基于设计和仿真的整套解决方案，帮助工程师实现连接器及组件快速建模及精确仿真，优化设计方案，缩短产品开发周期。
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