Progettare prodotti System on Module tramite DDR4 e interface SerDes veloci
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Nata nel 1975, MicroSys Electronics GmbH si occupa della progettazione e dello sviluppo di sistemi e dispositivi integrati.
La gamma di prodotti dell’azienda varia dai System on Modules fino a sistemi completamente integrati.Questi sistemi trovano applicazione in ambito di automazione, avionica, automotive, medicale, ferroviario e trasporti, costruzioni e difesa.
Le norme associate, quali IEC61508, DO-160, EN50155 sono trattate in stretta collaborazione con i clienti.
la sfida
MicroSys costruisce prodotti System On Modules e Single Board Computer con processori e microcontrollori che utilizzano interfacce veloci per memorie DDR, così come segnali differenziali veloci basati sulla tecnologia SerDes con velocità nella gamma Gbps.
Per l’introduzione di un nuovo prodotto, una novità era legata alla dimensione e alla velocità della DRAM.
Con una velocità fino a 3200 MTps e una dimensione fino a 128 GByte, è stata prestata particolare attenzione alla necessità di garantire che questa connessione potesse essere utilizzata nella massima affidabilità possibile.
Questi segnali veloci - veloci in termini sia di velocità di clock, sia di velocità di transizioni sul fronte del segnale - devono essere trasmessi sulla scheda con la minor interferenza possibile. In aggiunta, i segnali vengono trasmessi anche alla scheda base tramite connettori ad alta densità.
LA SOLUZIONE
Già in fase di concept, MicroSys ha affrontato il tema della progettazione preliminare di interfacce ad alta velocità.“ Il supporto del Sig. Hartmann di Cadlog ha rappresentato un fattore di assoluta rilevanza all’interno di questo processo. L’orientamento verso il raggiungimento di una soluzione ha costituito una parte fondamentale del supporto. Ad esempio, lo strumento di simulazione HyperLynx DDRx Wizard è stato implementato in stretta collaborazione con Cadlog”, spiega MicroSys.
Il primo obiettivo era quello di raggruppare i vincoli per il progettista di layout in modo da rendere possibile la realizzazione della fase di routing fin dall'inizio, così da mantenere al minimo la probabilità di aggiustamenti successivi dopo un controllo post-layout.
Durante la fase di pre-pianificazione MicroSys si è concentrata su due cose: interfacce DDR4 e SerDes ad alta velocità.
“Con l'ipotesi di un possibile posizionamento e uno stackup predefinito, abbiamo utilizzato HyperLynx LineSim per eseguire una simulazione pre-layout, la quale ha confermato la fattibilità del progetto agli sviluppatori hardware.”
Durante la fase di layout, MicroSys ha eseguito una simulazione post-layout utilizzando HyperLynx BoardSim per controllare le parti già tracciate.
Inizialmente, si sono concentrati sulle interfacce SerDes e hanno verificato il posizionamento dei componenti, il differential-pair routing , il routing attraverso Via e la necessità del backdrilling. Il passaggio successivo è stato verificare l'interfaccia DRAM.
MicroSys è sempre stata in grado di fornire feedback al progettista del layout PCB sull'integrità del segnale e anche sulla conformità con le regole di progettazione fornite.
"Dopo un layout corretto dell'interfaccia DRAM, abbiamo utilizzato HyperLynx DDRx Wizard per confermare il relativo funzionamento (integrità del segnale e temporizzazione)."
Una volta terminato, il routing è stato controllato per evitare possibili problemi di integrità del segnale: Clock, RGMII, SDHC, connessione a CPLD ed altro. È stato fatto ampio uso della possibilità di utilizzare i modelli IBIS e Touchstone / Spice esistenti per i test, in modo tale da evitare la riprogettazione.
Alla fine è stato reso chiaro che l'uso di HyperLynx ha permesso di rispondere in anticipo a diverse questioni, come confermato anche da misurazioni pratiche e test sul funzionamento. Si può anche affermare che l’impatto non è stato riscontrato solo sul routing, ma ad esempio anche nella scelta del materiale per il PCB.
Alla simulazione dei segnali è stata data la massima priorità. Oltre al layout, tale simulazione ha avuto un impatto anche sulla selezione del materiale e sulla struttura dei layer del PCB. HyperLynx, acquistato dalla società Cadlog, è stato utilizzato durante questo processo.
I BENEFICI
“La qualità (“integrità di segnale”) della trasmissione del segnale può essere verificata ed ottimizzata. Un altro valore aggiunto è che il design della Carrier Board di un cliente può essere costruito e simulato più facilmente con il modulo MicroSys, poiché disponibile come modello digitale".
I benefici derivanti dall’impiego di un software come HyperLynx possono essere sintetizzati come segue:
- La conferma che i prodotti hardware possono funzionare in modo affidabile in un'ampia gamma operativa, ad es. in termini di temperatura.
- L'hardware prodotto è soggetto a tolleranze nella produzione, che sono stabilite, ad esempio, su quanto strettamente viene controllata l'impedenza delle tracce sul PCB. HyperLynx aiuta a convalidare tutto ciò.
- La creazione di un “Digital Twin" del prodotto consente di convalidare le prestazioni del prodotto mediante la simulazione rispetto alle tolleranze di produzione e ai casi limite di gestione dei componenti semiconduttori.
In aggiunta, molti fornitori di componenti di CPU o memorie DDR riportano nelle loro note applicative che è "consigliato eseguire la simulazione".
La simulazione di "Digital Twin" è un mezzo appropriato per portare sul mercato prodotti che funzionino in modo sicuro e affidabile nel contesto delle condizioni di gestione specificate.
Ora che esistono modelli di simulazione per la scheda CPU, i clienti MicroSys possono simulare le prestazioni del prodotto finale costituito dal CPU Module e dalla Carrier Board durante la fase di progettazione di un nuovo prodotto.
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MICROSYS: Progettare prodotti System on Module tramite DDR4 e interface SerDes veloci
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