信号完整性面临的挑战

早在十几年前信号完整性还并没有进入硬件工程师的视野，工程师对付干扰、噪声等问题的“三大法宝”就是接地、滤波、屏蔽，这种仅凭工程师的经验的做法显然非常粗放。当时的数字系统工作频率大多都在100MHz以下，信号的上升时间也都有几个纳秒，信号完整性的问题并不严重；当时的数字系统的电平标准大多是TTL、CMOS电平信号线有着很大的噪声裕量不必担心电源噪声的影响；当时的芯片功耗也没有像现在一个CPU、DSP动辄就几十瓦的功耗，不必担心电源通流能力和电压降的问题；当时芯片的接口电压、核电压并没有现在这么低甚至到了1V以下，不必过分的担心电源噪声的问题。

然而随着电子通信产品性能的不断提高、半导体工艺技术的发展，信号的最高传输速率已经由2004年的3.125Gbps发展到目前的28Gbps，同时供电电压不断降低，产品对电流的需求却不断地增加。这些都是高速电路设计所面临的挑战，使得以往仅仅通过工程师的经验已经无法解决信号在传输过程中所产生的各种问题：

• 半导体工艺的进步，使得芯片集成度越来越高，不同模块之间相互干扰越来越严重；
• 信号速率的提高，使时序余量越来越小，DDR5的速率已经达到了6.4Gbps。

• 系统电流需求越来越大，使IR Drop和电源噪声越来越难以控制；
• 供电电压越来越低，使得芯片对电源噪声的要求越来越高；
• 信号上升时间越来越快，使得极其细微的互连结构（比如说芯片封装、接插件、过孔等）都会对信号质量造成影响。
• 信号幅度不断降低，导致信号噪声裕量不断减小

于是人们开始认识到信号完整性和电源完整性的重要性，同时对SI和PI的研究也开始表现出了浓厚的兴趣，并使得信号完整性分析成为产品开发流程中一个非常重要的工作和不可或缺的环节。

正因为如此，专业的信号完整性工程师也就诞生了，尽管目前来看专业从事SI、PI分析的工程师还比较少（虽然比前些年多多了），大部分SI、PI分析还都是由硬件工程师或者PCB工程师兼职在做。但我们也要看到信号完整性分析发展前景十分广阔，随着数字系统高速、高集成度、产品开发周期的不断缩短的发展趋势，信号完整性工程师必将在产品的开发过程中扮演越来越重要的角色。

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基于信号完整性分析的设计方法

随着电子、通信技术的发展，电子产品的功能、性能等各项指标都在不断提高，电子产品面临着高密度、小型化、分布式、低功耗、高可靠要求等诸多挑战。

按照应对这些挑战的不同应对方法，我们可以把产品的开发方式，大体上分为如下三种：

• 问题解决型

顾名思义，问题解决型是一些小公司面临技术、资金、进度、成本等多方面压力情况下的无奈选择。一款产品不经过充分的评估分析，而是先做了再说。如果在调试测试过程中发现问题，再绞尽脑汁想方设法解决、补救，美其名曰“攻关克难”。这样设计出来的产品抛开运气成分，不可能稳定。如果问题无法解决，那就需要改版，当然啦肯定也会影响产品开发的进度，同样也可能会付出更高的成本。

• 规则驱动型

公司发展到一定的规模，在长期的产品开发中积累了丰富经验。将这些经验转化为设计规则，在产品开发过程中应用这些规则驱动、约束整个开发流程。显而易见，这种开发方法相比“问题解决型”有了明显的进步。但这种方法只是在经验的积累转化为的规则，在面临更加复杂、性能要求更高的产品开发时，现有的规则可能并不适用。

面临新的调整就需要新的设计方法。

• 系统设计型

“凡事预则立，不预则废”。那么我们做硬件产品开发也需要有规范的设计流程，是“做了再说”，遇到问题再找解决的办法，还是要先对关键技术、难点进行充分的评估分析，在前期找到问题的解决办法再执行，有效的规避风险？显然选择后者更靠谱！

在硬件开发流程中引入SI、PI仿真分析环节就能够有效地在设计前期解决信号、电源质量引起的问题，因此将SI、PI仿真分析引入硬件开发流程中是非常必要的。目前国内像某为、某兴等大公司，都有一套自己的设计方法论、都有完整的SI、PI仿真分析流程。

面对信号完整性方面的挑战，以往“问题解决型”、“规则驱动型”的设计方法已经不能够满足需求。我们必须重新定义硬件的开发流程。为了在产品设计初期能够及时预测、解决信号完整性方面的问题和风险，目前业界主流的硬件设计流程中都已经引入了信号完整性分析环节。

业界主流硬件设计流程图

在设计的各个阶段SI仿真分析所起到的作用如下：

• 原理图设计阶段：SI工程师参与其中，对关键信号和关键电源进行仿真分析之后给出关键信号的匹配方案、关键接口器件的buffer选型、关键电源的滤波方案等等；同时还给出关键网络的PCB设计规则。
• PCB设计阶段：SI工程师与PCB工程师沟通落实前仿真规则，待PCB设计完成后通过后仿真对信号质量和前仿真结论进行验证。如果不能满足要求需要与硬件工程师、PCB工程师沟通提出解决方案对PCB设计进行优化。

表面上看起来设计流程中增加了SI仿真分析环节，会导致产品设计周期的延长 ，但实际上由于能够提前预测和解决信号完整性方面的问题，可以极大的缩短测试调试的周期，甚至一板成功的可能性也极大的提高。