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前華為工程師設計經驗總結：電源完整性(PI)仿真
2014/09/15
Lee
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20024
PI仿真(POWER INTEGRITY)又稱電源完整性仿真，它是對單板+封裝+DIE構成的電源系統的直流壓降，平面載流能力，過孔電流大小，電源平面阻抗及電容種類，數量，位置等進行評估及優化的工作，具體形式如下圖1所示。
圖1 電源完整性仿真示圖
我是2004年加入PI(POWER INTEGRITY電源完整性)仿真團隊的，PI仿真團隊那時候由張坤帶領，鼎盛時期主要員工有：張坤，張勝利(華為互連第二位博士)，晉趙國，全青山，賈俊，王瑜(實習生)，吳炎京及我。這個團隊的組合在當時部門算是實力很強大的，因“每人都有一把刷子”。加入PI團隊前這個團隊前期已有部分技術積累：電容的S參數測試，一些理論的研究，但仿真操作流程很復雜且在UNIX環境下，離實用階段還有一段距離。
華為的PI仿真初期與cadence也有著很緊密的聯系。SQPI是陳蘭兵在CADENCE主導開發的一個項目并選華為作為試用客戶，經過華為內部的優化及各種關鍵技術的鉆研，最后華為成功應用了SQPI，可惜CADENCE就缺少最后一步沒有把這個軟件大面積推廣開來，也許是算法上對單板一些特殊的情況沒有處理好，最重要是其它公司沒有象華為這樣的團隊為這個流程的順利進行作進一步的技術研究及寫上一些輔助的程序。
我一直認為SQPI很好用且效率特別高，因為它與LAYOUT平臺是同一平臺，無需各種轉換，使用我開發的自動賦模型程序及構建的仿真環境，一個板級的PI仿真最多1個小時內就可以完成。
當初CADENCE的PI仿真平臺切換是有歷史故事的，開始時CADENCE是在UNIX平臺上運行PI仿真,這個平臺使用的仿真引擎是SPECCTRA。SPECCTRA是頻域引擎而網表則類似于SPICE的工具，可以直接使用電容的S參數，在UNXI環境下此工具操作起來很不方便，這就是為啥剛開始時部門沒法推廣的重要原因，后來CADENCE把它的PI仿真工具移到了WINDOWS平臺，使用引擎是TLSIM，這樣就比較符合大家的使用習慣了，但這個在WINDOWS平臺中運行的PI仿真軟件不能使用電容的S參數庫，而是使用一階RLC模型,一階的RLC鉭電容是沒法擬合的。這方面我們做了不少的研究及轉換工作，并最終把電容模型的問題給解決了，電容庫方面我認為我們當初做得比CADENCE還要好，我們的研究成果由于公司保密原因沒有與CADENCE共享，主要的技術點包括：
電容的S參數測量。
我重新設計了SLOT校準件及測試板，并測試了公司80%以上電容的S參數模型
S電容參數轉為多級SPICE模型
陶瓷電容的RLC是通過ADS擬合出來的（這個方法我在部門的數據庫中歸了檔）;鉭電容則是通過多級RLC擬合出來，如下圖2所示。這個是由王瑜使用MATLAB完成的。
把所有的電容的SPICE模型按一定的格式組合成DML文件
這個由我寫程序完成。構造這個文件按CADENCE給的HELP文件是完成不了的，因我無意中發現它的一個BUG,即RLC元件值后面的單位必須要有一個空格，這個BUG對整個仿真流程至關重要。DML文件可以加密，但是PI運行后生成的網表會把電容的多級子電路顯示出來，這也是一個BUG。
按CODE進行自動賦模型
這個方法由我發明并寫程序完成
模型的S1P,S2P轉換，輸出的Z參數轉換
這個由張勝利，賈俊等寫公式及推導，我寫程序一次性完成。
把上面的技術點處理完成后，PI仿真就變白癡化了，完全不會的人也可以在半天或一天內輸出需要的PI仿真報告。
2 _3 l3 D s& B; l0 A: B3 x6 L
圖2多級RLC擬合鉭電容電路
PI仿真流程建成后公司PI仿真方面在業界當時應是一流水平，且測試與仿真擬合得很好（我們只測到3Ghz）。
SIWAVE1.0在我們使用SQPI流程完成后1年才出來，當時由張勝利對這個軟件進行了評估，由于我沒有對它寫輔助程序,有些算法還不成熟，SIWAVE1.0還是不如我們的流程好用。到了SIWAVE2.0后它的PI仿真方面才完善，不過SIWAVE2.0的自動賦模型程序也是我幫助李寶龍修改完成的。后來的SIGRITY PI自動賦模型我也寫好了程序（直接對SPD文件進行處理）。在自動賦模型方面我覺得自已很有天賦。
板級的PI仿真我們認為已經擬合得很好了，現在剩下器件的電流源建模比較困難。TI有牛人寫過文檔對IC的電流源進行模擬，但他的方法一直沒有使我信服，且他還在優化的過程中。
柳樹要接管PI組后在芯片級等效電容方面有突破，且方法用在芯片K3V1上并解決了當時的問題。海思后來自己又引進了APACHE軟件，用它來生成電流源模型，我離開公司時還未有真正突破性的進展，不知現在的情況怎樣了。
由于現在PI軟件的多樣性及算法的進一步成熟，華為現在板級PI水平和外界應差別不大，但Hisilicon離后端較近，有機會在DIE上對PI有一番作為，這也要看小伙伴們的造化了。
關于怎樣算電流源模型的問題，我也一直在思考，希望通過計算出logic的翻轉率來評估。我希望在快捷后面開發產品中與FPGA工程師合作，看是否有機會突破。
華為的電容模型有一個致命的弱點，即它同一容值的電容只有一個編碼，從編碼你是區分不出是哪個廠家制造的，這個對精細的仿真不利，我懷疑當初的這個做法是限制采購的某些行為。
關于電容的故事：當年互連還不強大時，EMC實驗室的人也要過來指導我們pcb 設計，技術不強真的容易被人指手劃腳。有一種現象是他們一REVIEWED就是加電容，有個工程師叫周x容，每次過來就是往板上有空的地方加電容，我們背后都叫他“周電容”。PI推廣后，我們可以設計電容的擺放位置及選取電容的容值，把原來電容過設計的單板又簡化了回去，一加一減雙方的績效都不錯：WIN-WIN STRATEGY！OH YEAH!
賈俊后期在產品問題分析中做了不少經典案例，當時有個產品已經發到荷蘭皇家電信公司KPN, 局方測試時發現通話質量較差,后來通過PI分析后在PI型濾波電路增加一個10uF的電容解決了問題。他還和張博士一起發現并解決了PI測試中焊接電纜諧振對測試結果的影響問題，找到了S參數轉Z參的正確方法，這對日后PI仿真和測試結果的高度擬合起到了決定性作用。
PI這個團隊大約維持了2-3年，但是成果輸出是當時部門里最多的且勇于技術共享。在現在互連部老服務器中都能找到我們歸檔的文件。后來，我去做IC封裝了,張勝利離開了公司，王瑜實習完后沒有回公司（最近聯系得知混得也不錯），賈俊要到EMC實驗室沒成功也離開了華為，全青山去了北京，晉趙國“曲線救國”去了成都，最后只有吳炎京與張坤。總的來說張坤在互連部真是個不可多得的技術人才。
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