目錄

1、基本情況介紹

2、仿真流程對比介紹

2.1、視圖上的差異

2.2、仿真結果處理的差異

2.3、預處理方面差異

2.4、驅動碼型差異

3、結果對比

3.1、讀操作

3.2、寫操作

4、模型的處理

4.1、IBIS模型

4.2、S參數模型

5、報告生成

6、總結

高速信號仿真工具眾多，有較大用戶群體的主要有Sigrity，Siwave，Hyperlynx，ADS，CST等。每個工具背后都有自己的黑科技加持，整體上都在朝著更準確、高效、便捷的目標發展。

本文對比了Siwave和Sigrity在SI仿真上的差異，對于新手用戶來說，可以選擇其中易于上手的一個。作者本人對Siwave更為熟練，Sigrity只是作為日常對比參照，且水平有限，其中有理解錯誤的地方，歡迎專家老師指點。同時，仿真用到的圖紙文件也會放在文章末尾，歡迎各位下載學習。

1、基本情況介紹

本文仿真對象為恩智浦公司官網的i.MX8QXP開發板。（i.MX 8處理器家族高度集成，是英飛凌公司的一款非常具有代表性的產品，其廣泛應用于工業控制，智慧城市，智能家居和汽車電子等領域，可支持圖形、視頻、圖像處理、音頻和語音功能，能夠滿足安全認證和高能效方面的需求。）

PCB布局整體如下圖所示，橙色方框標注的MCU-DRAM-VRM系統為本文主要仿真對象，目標信號為LPDDR4信號。

圖1、開發板PCB整體視圖

從圖2原理圖中可以看出（紅色方框），目標IC設計中包含了4組數據信號，就對該4組數據信號進行仿真，地址線的仿真方法相同，因此本文不再重復。（根據DDR信號規范，數據信號為整個DRAM系統中速率最快的信號，其次是地址信號，是仿真和測試重點關注的網絡，由于整個仿真過程需要參照JEDEC標準規范要求，因此需要對DDR信號規范有一定的了解，不了解的讀者可以翻閱本人之前有關DDR4的相關介紹-采用ANSYS進行DDR4仿真。）

圖2、開發板原理圖中DDR部分

仿真疊層設置如圖3所示，確保PCB設置一致，Siwave和Sigrity均使用相同疊層設置。

圖3、PCB疊層設置

由于仿真中考慮了信號SSN效應，所以需要同時考慮PDN的影響，為了保持一致，器件參數統一按照下表進行設定。

表1、電源網絡電容參數列表

同樣為了方便對比，Siwave和Sigrity內器件驅動和接收參數均按照下表設置。

表2、器件驅動參數設置表

最后可以簡單介紹兩款軟件，以方便初學者做出適合自己的選擇。

1）、Siwave是ANSYS公司發布的一款軟件，包含在ANSYSElectronics Desktop（通常也稱為“電子桌面”）中，電子桌面主要進行電動力學方面的仿真，可以滿足從直流到太赫茲頻段的各類仿真需求。其中包含的Siwave、Circuit和HFSS 3D layout三個模塊主要用來處理PCB以及相應的電路-PCB協同仿真需求。從軟件功能上看，信號完整性仿真僅僅是ANSYS電子桌面眾多能力中的其中之一，除此之外還可以進行電力電子仿真、射頻和天線仿真、磁元件仿真以及多物理場的聯合仿真等。如果使用者有較為復雜多變的仿真需求，ANSYS是不錯的選擇。遺憾之處在于，ANSYS公司沒有一款Layout工具，這導致其處理PCB仿真需求時需要借助Cadence等其他EDA公司的軟件進行部分PCB的前處理工作，這一點在進行PCB的優化上是遠不如自帶Layout工具的仿真軟件方便的。

2）、Sigrity是Cadence公司旗下產品。除去高大上的芯片設計工具，我們通常用到的Cadence軟件包主要有Orcad和Allegro，以及Pspice和Sigrity。Orcad和Allegro功能大家都知道，主要是原理圖和Layout。Pspice為電路仿真工具。Sigrity為PCB仿真工具，內部包含了System SI，Power SI，Power DC等模塊，目的是為滿足PCB仿真中的信號和電源協同分析設計和仿真需求。SIgrity與SIwave在算法上非常相似，兩者均采用了包括FEM、矩量法和傳輸線法的混合算法。從這里可以看到，Sigrity背后的Cadence不能處理復雜的電磁場仿真需求，但其在Layout和CAD方面是權威。而且從學習成本上，Sigrity相對資料更多，更容易上手。

2、仿真流程對比介紹

在對DDR的仿真處理上，Siwave和Sigrity整體流程類似。Siwave采用自身進行PCB的S參數提取，然后匯入Circuit中搭建系統電路進行仿真。SIgrity則是通過Power SI進行PCB的S參數提取，然后在System SI中搭建系統電路進行仿真。

2.1、視圖上的差異

Siwave在匯入Circuit后，整體電路拓撲層次分明，關鍵信息幾乎全部體現在主視窗中。

圖4、Circuit中搭建的DDR仿真拓撲

Sigrity的系統界面主窗口相比更為簡潔，用戶需要對電路進行編輯，需要通過雙擊相應的圖標來完成，更多的信息隱藏在二級界面中。

圖5、Sigrity中搭建的DDR仿真拓撲

2.2、仿真結果處理的差異

使用Siwave時，用戶需要自行調出仿真結果，并且在眼圖的導出中需要手動設置UI時長，且在對驅動參數、信號速率等重新編輯后，原始結果會被清除，若要保留則需要手動復制，總之整體的操作過程中手動的部分更多一些。

圖6、Circuit仿真結果界面

相反在使用Sigrity時，仿真結果是自動生成的，眼圖等常用結果的呈現也更為自動化，用戶在進行驅動參數、信號速率等重復編輯，軟件也能自動保存每次仿真的結果。即整個過程中自動的部分更多一些。

圖7、System SI仿真結果界面

2.3、預處理方面差異

Siwave因為整合度較高，充分發揮了ANSYS電子桌面的強大之處，因此在模型預處理方面更為全面，包括S參數的合規性檢查，IBIS模型的檢查、修復、重新編輯等。因此個人認為更為專業一些。

圖8、Siwave對S參數模型的處理

圖9、Siwave對IBIS模型的處理

圖10、Cadence自帶的IBIS模型工具

2.4、驅動碼型差異

Siwave和Sigrity在驅動碼型上存在一定差異。其中，Siwave默認為PRBS碼型，可設置每個網絡碼型由系統隨機生成。

圖11、Siwave中的碼型設置界面

Sigrity在驅動碼型的設置上也類似，但多了一個通道檢測的功能，可以根據通道響應特性生成“worst case”的驅動碼型。這點主要考慮了PDN的SSN效應，根據Larry Smith（高通PI首席專家）的文章，系統在特定的碼型驅動下，可以被激發出導致系統崩潰的浪涌，并將這種現象定義為Rogue Wave。從這個角度來看，worst case是一種檢驗DDR系統魯棒性的較為便捷的方法。

圖12、Sigrity碼型生成工具

3、結果對比

設置信號速率為4.266Gbps，分別仿真得到結果。

3.1、讀操作

可以看到兩個工具在讀操作下的結果基本一致，波形細節存在一定的差異，比如Sigrity波形的眼高要略小于Siwave結果。個人猜測可能主要是兩個工具在處理IBIS模型數據上存在一定的差異。（為什么不是S參數結果的差異呢？原因在下文中。）

圖13、Byte0結果對比

圖14、Byte1結果對比

圖15、Byte2結果對比

圖16、Byte3結果對比

3.2、寫操作

在寫操作結果中，兩者出現了巨大的差異。Siwave取得的結果明顯優于Sigrity。Sigrity結果中高電平幅值一致性非常差，導致“眼皮”厚度明顯大于Siwave結果。

圖17、Byte0結果對比

圖18、Byte1結果對比

圖19、Byte2結果對比

圖20、Byte3結果對比

4、模型的處理

4.1、IBIS模型

按照Wei-hsing Huang（SPISim USA的首席顧問，后被ANSYS收購）的博客文章，IBIS模型的使用存在頻率上限，超出使用頻率上限，緩沖器將沒有足夠的時間來完成上升、下降或兩者間的轉換。這種情況會導致模擬過程中存在不連續、故障甚至不收斂的情況。我們將這種現象定義為Overclocking。

NXP官網提供的MCU模型便存在Overclocking情況，打開其DDR的驅動波形可以看到，其上升沿長度達到了10ns之久，已經嚴重超出4.266Gbps最小碼型寬度。

圖21、初始MCU模型上升沿波形

Siwave內部集成了IBIS模型預處理功能，可以最大化的對波形寬度部分進行裁剪，使其滿足更高頻率的要求。從下圖中可以看到，優化后的波形上升沿寬度降低到不到800ps。

圖22、優化后MCU模型上升沿波形

Sigrity中也包含了IBIS模型的檢查功能，會對合規性進行檢查。但僅限于檢查，并未發現進一步優化處理的部分。正因如此，兩者在寫模式下結果才會出現較大的差異。

圖23、Sigrity中的IBIS模型檢查功能

4.2、S參數模型

在Sigrity的使用中，發現其Power Si在生成S參數模型時存在不收斂的情況，將兩次仿真結果放在一起進行對比，可以看到其中一次存在明顯的Non-Passivity情況。筆者也不清楚為何會出現這種情況，希望了解的老師能夠解答這個疑問。

圖24、PowerSI兩次仿真得到S參數對比

5、報告生成

對于復雜的DDR仿真結果，查看JEDEC標準文檔逐個進行合規性檢查是一件繁瑣的事情。Siwave和Sigrity作為成熟的商業軟件，均具備完整的報告生成功能。其內置的報告生成功能極大的簡化了這部分工作，可以自動對仿真結果進行檢查，并且輸出合規性報告。

相比之下，Siwave的報告生成功能較為繁瑣，使用者需要去對結果信號重新定義，才能得到相應的仿真報告，同時，Siwave的仿真報告中缺乏如疊層信息、去耦電容信息、模型驅動設置等關鍵信息，且網頁格式的結果文檔中不能夠再次打開波形查看。

圖25、Siwave合規性報告（部分截圖）

圖26、Siwave合規性報告（部分截圖）

Sigrity的報告生成相對來講更為簡單便捷，用戶不需要重新對信號間關系進行重新定義，僅需要簡單的幾步操作即可得到完整包含信號波形的結果文件。這點相較于Siwave來講還是很人性化的。

圖27、Sigrity合規性報告（部分截圖）

圖28、Sigrity合規性報告（部分截圖）

6、總結

從簡單的橫向對比可以看到，主流商業SI仿真工具均可以完成大部分的仿真需求。但現階段下沒有一家可以做到盡善盡美的。若要在產品的研發過程中充分發揮SI的價值，使用者就需要克服軟件中存在的不足之處。

本文中使用的PCB文件和IBIS模型已經在網盤中共享給各位讀者（鏈接：https://pan.baidu.com/s/13_ojhpP0glnzss8cXx8a_w提取碼：b10s），歡迎大家下載學習，也希望有朋友能夠使用其它工具復現本文結果，對市面上的商業軟件進行一個橫向大比拼！

審核編輯：湯梓紅