基于W-ElementRL...板级高速互连线实用建模方法_黄中铠.pdf

28 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月Electronics 电子学预测的W-ElementRLGC矩阵将转换为RLGC矩阵，再利用遗传算法优化结构1。但是其在建模过程中将介电层参数当成线性的物理特征，优化的结构与PCB板厂现有的板材参数不同而需要特别定制，成本提高导致实际工程意义不大。陈林楷在HeegonKim的基础上优化板级高速互连线建模的物理特征，其中的介质层介电常数参考PCB板厂提供的半固化片规格2。但是PCB板厂提供的半固化片规格中的介电常数、介质层厚度、损耗因子是相关联。同时，其建立的板级高速互连线结构没有考虑到互连线的阻焊和半固化片损耗因子的影响。本文提出的基于W-ElementRLGC矩阵的板级高速互连线实用建模方法，由于PCB板材规格限制，介电层参数（介电常数、介质层厚度、损耗因子）参考南亚板材NP-155FB和建涛板材KB-6065F，同0 引言随着集成电路的发展，带宽的要求越来越高。带宽的提高是通过提高数据率和增加IO数量实现，但是，反射、串扰、损耗等信号完整性问题随之出现并且不可忽视。因此需要对板级高速互连线进行优化。在以往，工程师依赖自身信号完整性经验优化板级高速互连线结构，通过不断迭代找出信号完整性良好的板级高速互连线结构，耗费人力物力。近来主要研究不依赖工程师经验下优化板级高速互连线的方法。信号完整性性能可以通过RLGC矩阵计算，RLGC矩阵与频率相关，如果对RLGC矩阵建模，需要获取感兴趣频段范围中所有频点的RLGC矩阵，在电磁仿真上将会耗费大量时间。HeegonKim利用W-ElementRLGC矩阵与频率无关的特点，提出基于W-ElementRLGC矩阵的板级高速互连线建模，作者简介：黄中铠，广东工业大学自动化学院；研究方向：电子系统建模。杨其宇，广东工业大学，副教授；研究方向：智能控制、基于Arm/Linux的嵌入式系统设计。收稿日期：2022-12-30；修回日期：2023-02-12。摘要：阐述W-ElementRLGC矩阵的板级高速互连线实用建模方法，利用W-ElementRLGC矩阵与频率无关的特点，减少仿真时间，在设计板级传输线结构时，充分考虑实际布线时场景以及实际应用中PCB板材的规格。在误差率5%的精度范围内，该模型可以替代传统的Hspice软件，输入板级高速互连线结构特征预测W-Element RLGC矩阵，通过相关的公式评估该模型信号完整性性能。关键词：W-ElementRLGC矩阵，板级高速互连线建模，信号完整性。中图分类号：TN41文章编号：1000-0755(2023)02-0028-04文献引用格式：黄中铠，梁卓灏，杨其宇.基于W-ElementRLGC矩阵的板级高速互连线实用建模方法J.电子技术,2023,52(02):28-31.基于W-ElementRLGC矩阵的板级高速互连线实用建模方法黄中铠，梁卓灏，杨其宇（广东工业大学 自动化学院，广东 521006）Abstract This paper expounds a practical modeling method of board-level high-speed interconnection based on W-Element RLGC matrix,which uses the characteristics of W-Element RLGC matrix and frequency-independent,the simulation time is reduced,on the other hand,the design of board-level transmission line The physical structure,the scene of the wiring and the specifications of the PCB board in the actual application are fully considered.Within the accuracy range of 5%error rate,the model can replace the traditional Hspice software,input the physical characteristics of the board-level high-speed interconnect line to predict the W-Element RLGC matrix,and evaluate the signal integrity performance of the model through related formulas.Index Terms W-Element RLGC matrix,board-level high-speed interconnect modeling,signal integrity.Study on A Practical Modeling Method for Board-Level High-Speed Interconnects Based on W-Element RLGC MatrixHUANG Zhongkai,LIANG Zhuohao,YANG Qiyu(Guangdong University of Technology,School of Automation,Guangdong 521006,China.)电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月 29Electronics 电子学时考虑实际布线中阻焊的影响，使得板级高速互连线建模具有实际工程意义。采用ANN对基于W-ElementRLGC矩阵的板级高速互连线进行建模，其输出参数预测精度达到95%以上，模型的精度可以满足要求。1 方法提出本 文 提 出 的 基 于W-ElementRLGC矩阵的板级高速互连线实用建模方法，方法流程图如图1所示。针对常见的PCB布线场景，设计板级高速互连线结构，选取影响信 号 完 整 性 的 物 理 特征。限定特征的样本空间，拉丁超立方抽样500次，结果作为数据集的数据集特征。借助电磁仿真软件模拟板级高速互连线结构，仿真获取W-ElementRLGC矩阵，作为数据集输出参数。基于ANN对板级高速互连线数据集进行建模，测试模型精度是否满足要求。将预测得到的W-ElementRLGC矩阵，与频率相结合可得到RLGC矩阵，评估板级高速互连线的信号完整性性能（反射、串扰、损耗）。2 板级高速互连线结构设计和数据集特征获取为满足高带宽的需求，信号传输采用差分传输技术。差分信号在两根互连线上传输，振幅相同，相位相反，通过接收端两个信号的差值判断发送端发送的逻辑状态。差分信号相比单端信号电压降低，传输中功耗降低可以提高差分传输数据速率。差分信号传输时在接收端相比较消除共模的噪声干扰，具有抗干扰能力强的特点。因此，板级高速互连线结构设计如图2所示，包括两个差分对，互连线1和互连线2组成一个差分对，互连线3和互连线4组成另一个差分对。影响板级高速互连线信号完整性的参数分为PCB设计参数和介电层参数。PCB设计参数包括互连线宽度、差分对内间距、差分对间间距，介电层参数包括厚度、介电常数、损耗因子。PCB设计参数最小值由PCB板厂工艺限制，其最小值一般在3mil，布线时互连线宽度和差分对内间距最大值一般不超过10mil，差分对间间距一般不超过20mil。具体的PCB设计参数由设计者所决定，其样本空间为线性空间。PCB设计参数样本空间如表1所示。介电层参数参考南亚板材NP-155FB和建涛板材KB-6065F，其厚度、介电常数、因子相关联，将NP-155FB和KB-6065F中的半固化片规格作为介电层参数的样本空间。介电层参数部分半固化片规格如图3所示。基于试验设计方法（DOE）对特征样本空间进行抽样。普通的拉丁超立方抽样存在样本点在样本空间投影均匀的情况，空间填充效果差。最大与最小思路是使新抽样点与前几个抽样点的特征距离（即最小距离）最大化的思路，从而样本点分布更均匀、空间填充效果更佳。基于最大最小思想优化的拉丁超立方抽样500条数据，其中300条数据作为训练集，100条数据作为验证集，100条数据作为测试集。3 电磁仿真软件仿真和板级高速互连线数据集构建电磁仿真软件Hspice根据Hspice网表文件 可 以 模 拟 板 级 高 速 互 连 线 结 构 并 仿 真 获 取W-ElementRLGC矩阵。网表文件需要设置PCB设计参数、介电层参数、激励、板级高速互连线层叠结构、输出。图1 优化的板级高速互连线建模方法流程 图2 板级高速互连线结构表1 PCB设计参数样本空间图3 介电层参数部分半固化片规格30 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月Electronics 电子学W-ElementRLGC矩阵包括Lo矩阵（直流电感），Co矩阵（直流电容），Ro矩阵（直流电阻），Go矩阵（直流并联电导），Rs矩阵（肌肤效应电阻），Gd矩阵（介质损耗电导）等6个矩阵。W-ElementRLGC矩阵通过式（1）式（4）转换为RLGC矩阵3。（1）（2）（3）（4）RLGC矩阵通过式（5）式（9）评估板级高速互连线信号完整性性能（反射、串扰、损耗）4。（5）（6）（7）（8）（9）由于W-Element RLGC矩阵具有对称性和互易性，评估ZDIFF、ZCOMM、NEXT、FEXT时需要考虑互连线耦合影响，因此提取LC矩阵中的分量11、12、22、13、23、14。评估时不需要考虑互连线耦合影响，因此提取Ro、Go、Rs、Gd矩阵中的分量11。将W-ElementRLGC矩阵共16个参数提取出来。W-Element RLGC矩阵中的L矩阵数量级在10-710-9范围，C矩阵数量级在10-1010-13范围，Ro矩阵数量级在10-0，Go矩阵数量级在10-10，Rs矩阵数量级在10-4，Gd矩阵数量级在10-12。W-ElementRLGC矩阵中16个参数的数量级差异较大，直接进行训练会使得数量级高的参数权重增大，而忽略了数量级较低的参数。因此，调整16个参数的数量级，使16个参数数量级均处在100103范围，作为板级高速互连线数据集输出，完成数据集的构建。4 板级高速互连线建模板级高速互连线数据集包含6个特征和16个输出，考虑到模型的扩展性和精确性（如分析无损传输线时不需要考虑RG矩阵），将模型分成四个ANN模型进行训练，包括互连线的自容自感模型、互容模型、互感模型、电阻电导模型。经实验，损耗因子Df只对介质损耗电导Gd有影响，因此Df只作为电阻电导模型的特征。互感不受介电常数Dk所影响，所以Dk不作为互感模型的特征。模型的输入特征和输出参数如图4所示。ANN模型包含两个隐藏层，优化器采用Adam，激活函数采用ReLU。训练过程中的损失函数采用MSE或者NMSE。对于自容自感模型、互容模型、互感模型，损失函数采用NMSE，对于电阻电导模型，损失函数采用MSE。经测试，batchsize为5时模型训练精度较高，且训练过程中损失函数不易发生振荡。分别调整模型中的隐藏层单元数、初始学习率、Epoch进行训练，模型训练的具体参数如表2。训练过程中的损失函数曲线如图5所示。4个板级高速互连线模型的损失函数曲线均可以较快收表2 板级高速互连线模型训练参数图4 自容自感模型、互容模型、互感模型、电阻电导模型 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月 31Electronics 电子学敛，说明模型通过输入板级高速互连线结构特征，可以准确预测出W-ElementRLGC矩阵。对于4个ANN模型精度检验，采用误差率进行评估。对100条测试数据的16个W-ElementRLGC参数精度预测的误差率结果如图6所示。16个W-Element