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Fallstudie MicroSys: DDR4 und High-Speed SerDes

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HyperLynx DDR Simulation von Siemens

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EDA-Software für die Automotive-Branche

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Softwarelösungen für Original Equipment Manufacturers (OEM)

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Time To Market: wie kann man die Markteinführungszeit in der Elektronikindustrie verkürzen?

Seit 1975 entwirft und entwickelt MicroSys Electronics GmbH Embedded-Systemlösungen und Geräte.

Die Produkte reichen von System on Modules bis hin zu vollständig integrierten Systemen.

Die Anwendungen passen in die Marktsegmente Automatisierung, Avionik, Automobil, Medizin, Eisenbahn und Transport, Bauwesen und Verteidigung.

Zugehörige Normen wie IEC61508, DO-160, EN50155 werden in enger Zusammenarbeit mit unseren Kunden behandelt.

Die Herausforderung

MicroSys baut System On Modules und Single Board Computer-Produkte mit Prozessoren und Mikrocontrollern auf, die schnelle Schnittstellen zu DDRx- Speichern sowie schnelle Differenzsignale auf der Basis der SerDes-Technologie mit Geschwindigkeiten im Gbit / s-Bereich verwenden.

Eine Neuigkeit für diese Produktgeneration war die Größe und Geschwindigkeit des DRAM.

Bei einer Geschwindigkeit von bis zu 3200 MTps und einer Größe von bis zu 128 GByte wurde hier darauf geachtet, dass diese Verbindung so weit wie möglich genutzt werden kann.

Solche schnellen Signale (schnell in Bezug auf Taktraten und schnell in Bezug auf Signalflankenübergangsraten) müssen auf der Kompaktplatine so störungsfrei wie möglich übertragen werden. Darüber hinaus werden die Signale auch über High-Density-Anschlüsse an die Baseboard übertragen.

Die Lösung

Bereits in der Konzeptphase befasste sich MicroSys mit dem Thema Vorplanung von High-Speed- Schnittstellen.

“Die Unterstützung von Herrn Hartmann von Cadlog war wichtig. Eine extrem gute Lösungsorientierung zeichnete den Support aus. Das DRAM-Simulationstool HyperLynx DDRx Wizard wurde beispielsweise in enger Zusammenarbeit mit Cadlog implementiert.”, erklärt MicroSys.

Die erste Aufgabe bestand darin, die Einschränkungen für den Layout-Designer so zusammenzufassen, dass das Routing von Anfang an so realisiert werden kann, dass die Wahrscheinlichkeit späterer Anpassungen nach einer Überprüfung nach dem Layout so gering wie möglich gehalten wird.

In der Vorplanungsphase konzentrierte sich MicroSys auf zwei Dinge: Hochgeschwindigkeits-DDR4- und SerDes-Schnittstellen.

“Unter der Annahme einer möglichen Platzierung und eines vordefinierten Ebenenstapels haben wir HyperLynx LineSim verwendet, um eine Pre-Layout-Simulation durchzuführen, die den Hardwareentwicklern die Machbarkeit bestätigte.”

Während der Layoutphase führte MicroSys mithilfe von HyperLynx BoardSim eine Post-Layout- Simulation durch, um bereits geroutete Teile zu überprüfen.

Zunächst konzentrierten sie sich auf die SerDes-Schnittstellen und überprüften die Platzierung der Komponenten, das Differential-Pair-Routing und das Routing durch Via und bestätigten die Notwendigkeit eines Backdrillings. Der nächste Schritt war die Überprüfung der DRAM-Schnittstelle.

MicroSys war stets in der Lage, dem Leiterplatten-Layout-Designer Feedback zur Signalintegrität und zur Einhaltung der vorgegebenen Entwurfsregeln zu geben.

“Nach einem erfolgreichen Layout der DRAM-Schnittstelle haben wir den HyperLynx DDRx Wizard verwendet, um die Funktionalität (Signalintegrität und Timing) zu bestätigen.”

Das fertige Routing wurde auf mögliche Probleme mit der Signalintegrität überprüft: Taktung, RGMII, SDHC, Verbindung zu CPLD und mehr. Die Möglichkeit, vorhandene IBIS- und Touchstone / Spice- Modelle zum Testen zu verwenden, um eine Neugestaltung zu verhindern, wurde umfassend genutzt.

Am Ende wurde klar, dass die Verwendung von HyperLynx es ermöglichte, viele Fragen im Voraus zu beantworten, was auch durch praktische Messungen und Funktionstests bestätigt wurde. Es kann auch gesagt werden, dass nicht nur das Routing, sondern auch z.B. die Wahl des Materials für die Leiterplatte könnte gewählt werden.

Der Simulation der Signale wurde hohe Priorität gegeben. Dies wirkte sich neben dem Layout auch auf die Materialauswahl und Schichtstruktur der Leiterplatte aus. Hier wurde HyperLynx von der Firma Cadlog verwendet.

Die Vorteile

“Die Qualität (die “Signalintegrität”) der Signalübertragung konnte erhöht und überprüft werden. Darüber hinaus wurde die Inbetriebnahme durch die Simulationsergebnisse vereinfacht. Ein weiterer Mehrwert besteht darin, dass das Carrier-Board-Design eines Kunden mit dem MicroSys-Modul einfacher konstruiert und simuliert werden kann, da ein digitales Modell verfügbar ist.”

Die Vorteile einer Software wie HyperLynx lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Bestätigung, dass Hardwareprodukte in einem weiten Betriebsbereich robust laufen können, z.B. in Bezug auf die Temperatur.
Die hergestellte Hardware unterliegt Toleranzen bei der Herstellung. Zum Beispiel, wie eng die Impedanz der Leiterbahnen auf der Leiterplatte gesteuert wird. HyperLynx hilft dabei, all dies zu validieren.
Durch den Aufbau eines “Digital Twin” des Produkts kann die Leistung des Produkts durch Simulation in Bezug auf Fertigungstoleranzen und Corner Cases von Halbleiterkomponenten validiert werden.

Abgesehen davon schreiben viele Komponentenanbieter von CPUs oder DDRx-Memories in ihren Anwendungshinweisen “Wir empfehlen, eine Simulation durchzuführen”.

Die Simulation eines “Digital Twin” ist ein geeignetes Mittel, um Produkte auf den Markt zu bringen, die unter den angegebenen Betriebsbedingungen und darüber hinaus robust und zuverlässig arbeiten.

Da es jetzt Simulationsmodelle für das CPU-Board gibt, können die Kunden von MicroSys die Leistung des Endprodukts bestehend aus CPU-Modul und Trägerplatine bei der Entwicklung eines Carrier- Board-Designs simulieren.

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