Önemli çıkarımlar:
İnternet hızları çok gigabit seviyelerine ulaştıkça ve dijital sistemler üzerindeki talepler daha karmaşık hale geldikçe, hem piyasaya çıkış süresini kısaltmak hem de hatasız ve güvenilir tasarımlar sağlamak neredeyse imkânsız gibi görünmektedir. Geleneksel tasarım araçları ve yöntemleri, başarısız prototipler, pahalı yeniden üretim süreçleri, geciken piyasaya sürümler, kaçırılan pazar fırsatları ve yetersiz performansla sonuçlanabilir.
İşte bu yüzden gelişmiş EDA (Elektronik Tasarım Otomasyonu) araçları artık bir seçenek değil, modern yüksek hızlı dijital tasarımın karmaşıklıklarıyla başarılı bir şekilde başa çıkmak ve rekabetçi ürünleri zamanında ve bütçeye uygun şekilde sunmak için kritik öneme sahiptir.
Peki EDA nedir ve neden buna ihtiyacınız var? Yüksek hızlı dijital tasarımın zorlukları nelerdir? Gelişmiş EDA araçları bu zorlukları nasıl aşar? Cevaplar için okumaya devam edin.
EDA Nedir?
Şekil 1. Yinelemeli EDA iş akışı Yinelemeli EDA iş akışı
Elektronik tasarım otomasyon yazılımı, elektronik devrelerin ve sistemlerin tasarım sürecini, simülasyonunu ve doğrulamasını kolaylaştırır.
Bu elektronik bilgisayar destekli tasarım (ECAD) araçları, şematik oluşturma, simülasyonlar, yerleşim (layout), kural kontrolleri ve doğrulama gibi yaygın görevleri otomatikleştirerek mühendislik çabasını azaltır ve hataları önler.
EDA'nın temel felsefesi “sola kaydırmak”tır. Yani tüm tasarım kontrollerinin mümkün olan en erken aşamada (zaman çizelgesinin sol tarafında) yapılması gerekir. Bu yaklaşım, sonradan ortaya çıkabilecek pahalı prototipleme çalışmaları ve yeniden üretimlerin önüne geçmeyi amaçlar. “Sola kaydırma” yaklaşımı, yalnızca sanal devre şemaları, sanal yerleşim tasarımları, yazılım modelleri ve simülatörler üzerinden karmaşık davranışları analiz etme ve tahmin etme yeteneğini gerektirir.
EDA ve elektronik simülasyonlar, güvenilir yüksek hızlı dijital sistemlerin tasarımı için vazgeçilmezdir.
Elektronik simülasyon nedir?
Şekil 2. Dijital ikizler Dijital ikizler, sol paradigmaya geçişte sofistike simülasyonlara olanak tanır
Simülasyon araçları, farklı koşullar altında gerçek dünyadaki olayların taklit edilmesi için devrelerin, alt sistemlerin veya elektronik sistemlerin sanal modellerini (dijital ikizler) oluşturur.
Bazı yaygın türler arasında devre seviyesi, elektromanyetik (EM), elektro-termal ve sistem simülasyonları yer alır.
EDA araçları HSD elektronik tasarımında hangi özel zorlukları ele alıyor?
Yüksek hızlı dijital sinyaller tipik olarak yüksek frekanslı (HF) analog sinyallere dayanır ve bu sinyallerin karmaşık etkilerinin modellenmesi, tahmin edilmesi, simüle edilmesi ve maliyetli prototipleme çalışmalarından ve yeniden testlerden kaçınmak için mümkün olduğunca erken azaltılması gerekir. İşte bu noktada EDA araçları yardımcı olur.
Şimdi temel yüksek hızlı dijital zorlukları daha ayrıntılı olarak inceleyelim.
Sinyal bütünlüğü zorlukları
Yüksek hızlı dijital devrelerin telleri ve izleri iletim hatları gibi davranır ve sinyalleri etkiler. EDA araçları, aşağıdaki gibi olumsuz etkileri modelleyerek ve azaltarak sinyal bütünlüğünü sağlamalıdır:
Güç bütünlüğü zorlukları
Güç dağıtım ağı (PDN), dijital IC'lerin ve PCB düzenlerinin kritik bir alt sistemidir. Diğer tüm alt sistemlerin ve bileşenlerin gerekli voltaj ve akımı en az bozulma ile güvenilir bir şekilde almasını sağlar.
İdeal güç bütünlüğü şu temel hedeflere sahiptir:
Elektromanyetik girişim (EMI) ve uyumluluk (EMC) zorlukları
Zamanlama zorlukları
Saat ve veri kurtarma (CDR), zamanlama ve senkronizasyon kritik HSD unsurlarıdır. Ele alınması gereken bazı zorlu hususlar şunlardır:
Standartlara uyumluluk zorlukları
Yüksek hızlı serileştirici-serileştirici (SerDes) dijital sistemler, aşağıdakiler de dahil olmak üzere ilgili spesifikasyonlara uymalıdır:
Tüm bu standartların sinyal kalitesi, göz maskesi uyumluluğu, titreşim bütçeleri ve diğer hususlarla ilgili katı gereksinimleri vardır.
Başarısız uyumluluk testleri pahalı olabileceğinden, bu tür hususları doğrudan sanal prototipler üzerinde simüle etmek ve analiz etmek çok önemlidir.
Termal zorluklar
Küçük alanlarda paketlenmiş daha fazla bileşen, daha yüksek güç yoğunluklarına, artan sıcaklıklara ve ısı dağılımı sorunlarına yol açar.
Ayrıca, ısı dağılımının yönetilmesi malzeme özelliklerine, bileşen yoğunluğuna, yerleşime ve diğer koşullara bağlıdır.
IC'lerde, kapı-etrafında transistör gibi gelişmeler yeni ısı dağılımı sorunları yaratır.
Tüm bu durumlarda, radyasyon, konveksiyon ve iletim etkileri nedeniyle ısının nasıl aktığını bilmek kritik önem taşır.
Yarı iletken tasarım zorlukları
Şekil 3. Geleneksel SoC tasarımı vs. Geleneksel SoC tasarımına karşı chiplet tabanlı tasarım
SoC'ler veya 2.5D/3D chiplet tasarımları olarak artan entegrasyon ve giderek yoğunlaşan paketleme, karmaşık elektromanyetik bağlantı etkileriyle sonuçlanmaktadır.
Çiplet kalıptan kalıba (D2D) ara bağlantıların birlikte çalışabilir olmasını ve güvenilir bir şekilde çalışmasını sağlamak zordur.
PCB tasarım zorlukları
Modern PCB'ler giderek daha karmaşık ve çok katmanlı hale gelmektedir. Tasarımcıların karışma ve kayıpları önlemek için yerleşim geometrisinin her yönünü doğrulaması gerekir. Bazı bilgisayar anakartlarının 2018'de bile 32 katman, 8.000 ağ ve 12.000 bileşene sahip olduğu gerçeğine dayanarak PCB karmaşıklığı hakkında bir fikir edinebiliriz.
Veri sayfası sınırlamaları
Veri sayfaları genellikle hızlı PDN'ler için en kötü durum gerilim gürültü dalgalanmasını ortaya koymaz. Veri sayfalarında kullanılan geleneksel adım yükü geçici testleri, daha büyük voltaj dalgalanmalarına neden olan rezonans frekanslarını veya zorlanmış yanıtları ortaya çıkarmayabilir.
Mühendislik ve organizasyonel zorluklar
Yaygın mühendislik, organizasyon ve süreç zorlukları aşağıda özetlenmiştir:
Keysight EDA araçlarının gelişmiş özellikleri üstün yüksek hızlı dijital tasarımları nasıl mümkün kılıyor?
Şekil 4. Keysight ADS Keysight ADS kullanarak sinyal bütünlüğü
Ana akım EDA yazılımları, hem yüksek hızlı dijital entegre devre (IC) hem de baskılı devre kartı (PCB) tasarımlarını simüle edebilecek bazı özellikler sunar. Daha önce, IC ve PCB tasarımları için yüksek seviyeli EDA iş akışlarını açıklamıştık.
Ancak bu yazılımların çeşitli sınırlamaları vardır. Örneğin, geleneksel simülatörler yüksek hızlı dijital (HSD) tasarımlarda yetersiz kalır çünkü giriş/çıkış devreleri çok karmaşıktır ve tasarım alanı oldukça geniştir. 10.000 ila 50.000 transistörlü mantık blokları için anlamlı sonuçlar üretmeleri saatler hatta günler sürebilir.
Keysight’ın Advanced Design System (ADS) platformu ve EDA araçları, yüksek hızlı dijital sistemlerin tasarım iş akışlarında bu tür kritik yetenek ve verimlilik boşluklarını doldurur. Şimdi bu yetenekleri daha derinlemesine inceleyelim.
Gelişmiş elektromanyetik modelleme
PathWave EM Design (EMPro) gelişmiş EM-devre ortak simülasyonları sağlar. Yetenekleri aşağıdakileri içerir:
Sinyal bütünlüğü
Yüksek hızlı dijital tasarım için Keysight ADS, karmaşık yüksek hızlı PCB'ler için sinyal bütünlüğü simülasyonları ve analizleri sağlar. Şunları yapabilir:
Güç Bütüblüğü
Şekil 5. Güç bütünlüğü analizi Güç bütünlüğü analizi
Electro-thermal analysis
Şekil 6. Elektro-termal analiz Elektro-termal analiz
Elektro-Termal Simülatör, yüksek hızlı dijital PCB'lerin ve IC'lerin sınırları (IC, paket, laminat ve PCB) boyunca sıcaklığa duyarlı devre ortak simülasyonunu destekler.
Elektro-Termal Dinamik Model Oluşturucu, termal simülasyonları hızlandırmak için zamanla değişen elektro-termal modeller oluşturur.
Entegre Devre (IC) Tasarımı, Chiplet Mimarisi ve UCIe
Şekil 7. Chiplet PHY Designer
Keysight, çip tasarımı, çipler ve ara bağlantılar için yarı iletken şirketlere gelişmiş EDA araçları sağlar:
Chiplet PHY Designer, UCIe simülasyonunu, kalıptan kalıba (D2D) PHY bağlantılarının sistem düzeyinde analizini ve jitter takibini destekler.
IC-CAP cihaz modelleme yazılımı ve DynaFET modeli, dinamik kendi kendine ısınma ve tuzaklanma etkileri gibi olayları simüle edebilir. IC-CAP'teki yapay zeka ve makine öğrenimi (ML) algoritmaları, model yeniden oluşturma sürecinin tam otomasyonunu sağlayarak bu süreci 10 kat hızlandırarak günlerden saatlere indirir.
ADS, bağlantı etkilerini doğru bir şekilde yakalamak için 2.5D/3D IC'lerin gelişmiş çoklu fizik analizlerini destekler.
SerDes Tasarımları
IBIS ve algoritmik modelleme arayüzü (AMI), çok gigabitlik kanallarda eşitleme (equalization) ve saat veri geri kazanımı (CDR) gibi işlevleri simüle edebilen SerDes davranış modelleri oluşturulmasına olanak tanır.
Veri Merkezi Ethernet ve Optik Ağlar
Ethernet AMI Modelleyici, PAM4 modülasyonu desteği de dahil olmak üzere, Ethernet verici ve alıcıları için AMI modelleri oluşturabilir.
Keysight SystemVue, optik fiber iletişim kütüphanesi sunar. Bu kütüphane, raflar arası (rack-to-rack) optoelektronik bağlantıların modellerini oluşturarak bu modellerin ADS Kanal Simülatörü’ne aktarılmasına imkân tanır.
PCIe ve USB Özellikleri
PCIe için System Designer, tasarımcıların tam PCIe sistem analizi gerçekleştirmesine ve simülasyona dayalı sanal uyumluluk testlerini optimize edilmiş bir iş akışıyla yapmasına olanak tanır.
PCIe AMI Model Builder ve USB AMI Modelleyici, eşitleme (equalization) ve saat veri geri kazanımı (CDR) gibi özellikleri simüle etmek için PCIe ve USB verici/alıcılarına yönelik AMI modelleri oluşturur.
Bellek Tasarımları
ADS Memory Designer, DDR, grafik DDR (GDDR) ve yüksek bant genişliğine sahip bellek (HBM) standartlarına uygun çeşitli bellek sistemlerinin tasarımını destekler. Bu araç, yüksek hızlı seri kanalların ve veri yolu ya da komut/adres kontrol yollarına sahip bellek sistemlerinin kanal simülasyonlarını gerçekleştirir.
Ayrıca, DDR AMI Modelleyici, bellek arayüzleri için PAM4 AMI modelleri de oluşturabilir.
Sistem tasarımı ve simülasyonları
SystemVue, birçok elektronik alt sistemden oluşan tüm cihazları simüle edebilir. Yarı iletken cihaz modelleri ve SerDes IBIS-AMI modelleri gibi farklı model türlerini içe aktarabilir. Sistem seviyesi gereksinimlerine göre tüm alt sistemleri birlikte simüle edebilir ve sinyallerini ve işlemlerini düzenleyebilir.
AI/ML yetenekleri
Keysight EDA araçları aşağıdakileri gerçekleştirmek için AI/ML kullanır:
Simülasyonlar için yüksek performanslı bilgi işlem
Keysight Design Cloud, tasarım ekiplerinin hesaplama açısından yoğun devre, EM, elektro-termal ve sistem simülasyonlarını daha hızlı öngörü süresi için ölçeklenebilir bir bulut ortamında çalıştırmasını sağlar.
Test ve ölçüm cihazlarıyla sorunsuz entegrasyon
Keysight ADS kullanmanın en önemli avantajlarından biri, tasarım prototipleri üzerinde fiziksel testler için osiloskoplar, BER test cihazları ve mantık analizörleri gibi çeşitli cihazlarla sorunsuz bir şekilde entegre olabilmesidir. Model parametreleri ölçülen verilerden çıkarılabilir ve simülasyon doğruluğunu artırmak için sanal modellere girilebilir.
Keysight EDA yazılımı diğer tasarım araçları ve sistemleriyle nasıl sorunsuz bir şekilde entegre oluyor?
Keysight'in özel EDA araçları, ana akım tasarım iş akışlarına sorunsuz bir şekilde entegre olacak şekilde tasarlanmıştır. Entegrasyonları aşağıda açıklanmıştır.
EDA yazılımı dijital tasarım alanında ürün geliştirmeyi nasıl hızlandırır?
Keysight EDA yazılımı, ürün geliştirmeyi ve öngörü süresini aşağıdaki şekillerde hızlandırır:
Keysight EDA ile yüksek hızlı dijital karmaşıklığı çözün
Bu blogda, yüksek hızlı dijital tasarım ekiplerinin karşılaştığı teknik ve mühendislik zorlukları hakkında bilgi edindiniz. Keysight'ın EDA çözümleri, bu zorlukları etkili bir şekilde yönetmelerini sağlar.
Yüksek hızlı dijital tasarım için EDA hakkında içgörü ve bilgi için bizimle iletişime geçin.