By Todd Westerhoff
在 PCB 設計界，有個讓工程師困擾的問題：「這條高速訊號線要不要做訊號完整性分析？做了分析結果準不準？」西門子 HyperLynx 專家 Todd Westerhoff 最近分享了他的觀察：許多工程師在訊號完整性分析上投入過多資源，卻忽略了更實用的做法。關鍵在於他們對分析工具有錯誤的理解，導致過度追求精準度，反而讓設計效率大幅下降。
作為第三支柱的一部分——以數位原型為驅動的驗證，讓我們深入探討訊號完整性分析。
什麼是訊號完整性分析？
PCB 訊號完整性是研究高速數位訊號的類比開關行為。我們常把數位訊號想像成邏輯時序圖中的方波，但現實中的訊號並非如此，它們更為混亂，有時甚至讓人難以辨認是數位訊號。這種情況的發生，是因為元件的擺放與訊號的布線方式會影響訊號的行為，尤其是在設備速度足夠快的情況下。簡而言之，如果元件的擺放與布線方式對訊號有影響，那麼您已進入需要訊號完整性分析的領域。
如何判斷是否需要訊號完整性分析？
當我們從驅動器發送訊號經由導線傳送到接收器時，我們希望訊號到達接收器後便停止，呈現出乾淨俐落的邊緣。但這並非電磁波的運作方式。雖然訊號確實會傳播並最終穩定，但細節仍然至關重要。當驅動器的邊緣速率與導線的電氣長度比值達到臨界值時，我們開始看到問題。如果驅動器的邊緣速率足夠慢，訊號有充足時間傳播並穩定下來，因此訊號在導線上的行為看似一致。可以把這類比為一個長而狹窄的矩形泳池：如果您慢慢將水倒入一端，水面似乎會均勻上升；但如果您一次性倒入大量水，就會看到清晰的波前來回晃動，直到最終穩定。
臨界點是當驅動器的邊緣速率約為導線電氣長度的六分之一時。此時，訊號能以足夠慢的速率在接收器與驅動器之間來回傳播三次，從而避免訊號“來回晃動”。如果驅動器的邊緣速率更快，就會開始出現需要訊號完整性分析來評估和緩解的效應（如反射、振鈴和串擾）。
這只是簡單概述。隨著邊緣速率減少和數據位速率增加，需要考慮的物理現象變得更加複雜，分析也越來越精細。因此，現今的大多數訊號完整性模擬由專職的專家進行，他們專注於訊號與電源完整性的模擬工作。
現存的問題是什麼？
目前的訊號完整性分析通常由專職專家執行。他們專注於這些任務，但問題在於專家人數遠少於設計中的 PCB 數量。如今，幾乎每個板上的每條導線都可以被視為“高速”，但無法對所有導線進行分析。
為應對這種“訊號完整性專家短缺”問題，大多數系統公司採用了兩種設計方法：
預布線設計空間探索
僅在絕對必要時，才使用訊號完整性分析工具來確定最佳的擺放與布線策略。通常更傾向於基於元件供應商提供的指南進行設計，假設供應商已進行相關研究，且他們的板設計假設（如層堆結構、板尺寸等）適用於客戶的應用需求。理論上，此方法可行，但實際上，“一刀切”的設計規則會增加成本。此外，供應商的佈局規則常常被修改或忽視，這些問題往往在實驗室測試板時才被發現。
後布線設計驗證
針對設計完成的板進行模擬，以確定運行設計餘量是否充足。但由於流程勞動強度大，這類模擬通常少之又少，甚至完全沒有。因此，大多數公司僅進行視覺設計審查，即使進行後佈局模擬，也僅限於極少數的訊號，如最短和最長的導線。然而，佈局問題是隨機的，無法僅憑挑選少數訊號來捕捉所有問題。這種方法使得佈局問題流入原型製造，導致問題需在實驗室中被發現和調試，最終需重製電路板。
有哪些阻礙？
傳統上，訊號完整性分析通常由專家使用電子設計自動化（EDA）工具來完成。隨著技術挑戰越來越嚴峻，分析工具變得更加複雜且難以使用。雖然模擬器可以輕鬆生成結果，但要確保結果真實反映設計的實際運行狀況卻並不容易。由於訊號完整性的最新技術發展迅速，大多數分析工具專注於解決“尖端”問題，而將可用性視為次要問題。然而，“以後解決可用性問題”的做法一再推遲，導致這些工具越來越難用，並且如果非專家用戶設置不當，極易產生錯誤結果。
因此，模擬專家的能力和所需完成的模擬工作之間的鴻溝不斷擴大。同樣，“一刀切”的設計方法也是一大問題——大多數 EDA 工具假設所有分析都需要尖端技術，事實上，許多設計（以及潛在的用戶）更適合使用稍微簡單但更易用的工具。
讓我們以汽車行業為例。如果速度是唯一重要的因素，那麼所有汽車都應該是 Lamborghini 或同級別的跑車。但儘管 Lamborghini 是優秀的跑車，它卻不太適合帶孩子去踢足球、在紐約市的雪地中行駛或從木材場運送木材。“一刀切”對汽車不適用，也同樣不適用於訊號和電源完整性分析。
由於訊號完整性專業人員相對較少，許多人對此知之甚少，也因此產生了一些誤解。以下列舉幾個常見誤區：
每次模擬都應該盡可能準確
沒有任何模擬是完全準確的，所有模擬都是在準確性、分析速度和專業知識之間做出權衡。如果您需要測量 12 英尺長的繩子，是否會使用千分尺？當您首次進行設計粗略規劃時，基本模擬已足夠。如果您正在設計用於 PCIe-5 的導孔，其運行速率達 32 GT/s，那麼不需要將其建模至 100 GHz 的精度。根據工作的實際需求選擇模擬方法和準確性即可。如果模擬的準確性遠超實際需求，只會拖慢設計進程。
有模擬器，您不需要理解設計原理
模擬器可以輔助您理解設計及其工作原理，但不能取代結構化思考和良好的工程判斷。模擬器只是工具，無法替您做出設計決策，就像錘子無法自行建造牆壁一樣。設計決策由知識豐富的工程師做出，而非模擬器。
任何工作最好的模擬器就是最準確的那一個
這種觀點有兩個問題：首先，無法證明“最準確”這一點。這是一個情境化的價值判斷。其次，不同情況需要不同的功能。在佈局前進行設計規劃時，速度、易用性以及能快速可視化大量結果可能更重要。而如果是為 224 GT/s 的鏈路優化導孔，那麼準確性將是關鍵，即使結果需要一天或更長時間才能生成。如果是驗證佈局後的電路板以發現潛在問題，那麼自動提取佈局後訊號、分析速度和發現“藏針於草堆”的能力則成為重點需求。
訊號完整性分析的最佳實踐
使用模擬工具時的誘惑在於將整個問題設置得極為詳細，然後按下“運行”按鈕，期待令人驚嘆的結果。然而，實際情況通常並非如此。
更好的方式是務實地進行——從一個儘可能簡單的分析問題開始，一個您事先知道答案的問題，以確保設置和模擬器正常運行。雖然這不那麼令人振奮，但卻非常實用。模擬器本身非常複雜，設置選項繁多，其中一些可能導致錯誤結果。從已知問題開始，然後分階段增加建模和分析的複雜性，逐步測試和驗證，您更有可能獲得可靠的模擬結果。
分階段建立分析的另一個優勢是，您可以評估不同結構和物理效應對設計餘量的影響，從而知道需要重點關注哪些問題。例如，您分析一條串行鏈路，僅考慮表面效應時的眼高為 60mV，加入表面粗糙度後下降至 45mV，加入串擾後降至 40mV，而眼高需求為 35mV……此時您應開始考慮層堆結構、訊號所在的佈線層，或者是否需要研究更好的銅材處理方法。
Eric Bogatin 的一句話值得借鑒——當設計餘量減少時，分析所需的準確性會提高。了解您正在建模的物理效應及其對設計餘量的影響至關重要。
訊號完整性分析的運作方式
訊號完整性分析主要分為兩種類型：
佈局前設計空間探索（Pre-layout Design Space Exploration）：目的是制定電路板的放置與布線規則。
佈局後驗證（Post-layout Verification）：模擬已設計的電路板，確保其符合製造要求。
佈局前設計空間探索
此階段基於電路圖進行，允許用戶放置傳輸線（代表導線）、導孔、連接器以及被動/主動元件。最佳實踐建議從簡單的拓撲結構開始，並逐步添加細節，同時進行模擬。佈局前分析旨在探索設計和拓撲的變化，從而制定放置與布線所需的規則，確保設計有充足的餘量。
佈局後驗證
由於 PCB 佈局並非總能按計畫進行，可能會出現規則被破壞或設計錯誤的情況。而在實驗室中使用原型發現這些問題，既耗時又昂貴。因此，佈局後驗證顯得尤為重要。
HyperLynx 的漸進式驗證策略
HyperLynx 採用名為漸進式驗證（Progressive Verification）的策略，其目標是以最小的努力、最快的速度發現盡可能多的問題。漸進式驗證包括三個主要階段：設計規則檢查、基於標準的分析和基於供應商的分析。
設計規則檢查（Design Rule Checking，DRC）
這替代了傳統的視覺設計檢查，大幅提升效率，因為計算機不會疲倦或分心。HyperLynx DRC 擁有豐富的專家規則集，用戶可配置這些規則來自動檢查設計中的常見電氣問題。例如，HyperLynx DRC 可在幾秒內檢查整個設計數據庫，找出導線跨越分割平面的區域。這類問題若通過視覺檢查，既疲勞又容易出錯；而若通過建模與模擬檢查，則耗時且困難。採用漸進式驗證策略，HyperLynx DRC 能快速幫助用戶發現並解決各類問題。
基於標準的分析（Standards-based Analysis）
此階段重點關注 PCB 互連部分（設計師實際設計的部分），確保其符合相關標準要求。例如，針對基於 SerDes 的串行鏈路，不同的協議標準對通道本身定義了要求，而不涉及通道兩端的發射器或接收器。雖然發射器和接收器（包括其模擬模型及模擬過程）會因供應商和設備而異，但通道本身的要求以及符合性評估過程是固定的。因此，HyperLynx 可自動化此符合性分析過程。這是一個邏輯的步驟，幫助設計師在進行更高級別的模擬前，對互連性能有充分了解。
基於供應商的分析（Vendor-based Analysis）
漸進式驗證的最後一步是將設計好的互連與實際的矽晶元件及其相關設置（如驅動強度、接收端終端、均衡等）結合模擬。這需要供應商提供準確且完整的模型，但獲取這些模型可能存在困難。這也是基於標準的分析顯得重要的原因——即使在供應商模型不可用時，它仍然有效。一旦供應商模型可用，模擬結果的準確性將達到最高，但同時需要更高的專業技能來獲取、驗證和使用這些模型。
模擬工具雖然強大，但並非魔法。它們與其他先進工具一樣，需要用戶對問題有深入理解，並合理應用工具來解決問題，才能實現預期結果。
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