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3D 电磁边界元素解算器

HyperLynx Full-Wave Solver

HyperLynx 全波解算器 (FWS) 是一款边界元解算器,用于模拟具有任意几何形状的三维电磁结构的超高频特性。它是 HyperLynx Advanced Solvers 综合家族的一员。

带有电子元件的电路板,用于 Hyperlynx 全波解算器软件的信号完整性分析可视化。

全波解算器应用程序

当所分析的结构与目标频率下的信号波长相当(或大于)时,将使用全波方法。这是一种通用的方法,不对结构的几何形状或其电磁行为做出假设。在HyperLynx中,全波解算器通常用于对高速串行通道的关键部分(分支、阻塞电容、过孔和其他不连续性)、高密度IC封装的部分或DDR5存储器接口的选定部分进行建模。

全波解决方案提供目前可用的最精确的仿真。这也意味着它们是最复杂和最占用内存的,因此它们最有可能需要仿真加速,要么在大型服务器上使用许多 CPU 内核,要么将作业(或作业)拆分到局域网上的多台计算机上。

HyperLynx 集成和易用性

当使用全波解算器作为系统级分析的一部分时,完整的互连通常太大,无法使用 3D 解算器进行实际求解。这意味着互连被划分为需要三维解算器的部分(突破区域、过孔和阻塞盖)、可以用轨迹模型准确描述的部分,以及以 S 参数模型表示的部分(通常是连接器和 IC 封装)。这就是所谓的 “切割和缝合” 求解——将互连 “切割” 成各个部分,每个部分分别建模,然后将各部分 “缝合” 在一起,以创建用于系统级分析的端到端信道模型。

由于三维仿真求解区域的大小仅限于关键信号区域及其相应的返回路径,因此切割和缝合方法最大限度地提高了求解效率。在这些区域之外,从计算时间和资源的角度来看,使用跟踪或连接器模型表示信号的效率要高得多。切割和缝合方法面临的挑战是正确管理所有细节——例如,每个 3D 区域都必须足够大,才能确保端口边界处的横向电磁 (TEM) 行为。这意味着该区域将包括信号轨迹的某些部分,并且需要调整建模为传输线的走线长度,以反映三维区域中已经包含的走线部分。该三维区域还需要包括信号的返回路径,因此在创建该区域时还需要考虑接地过孔和足够的缓冲距离。通常,此过程是手工完成的,需要大量的用户专业知识。这极大地限制了可以进行分析的用户数量以及他们可以实际分析的信号数量。

A diagram showing the integration and ease of use of HLAS.

自动创建后期布局渠道模型

HyperLynx 根据所分析协议的要求自动创建布局后的渠道模型。用户只需选择他们想要分析的信号,剩下的就交给 HyperLynx 了:

  • 内置的 DRC 引擎用于自动识别需要三维建模的互连部分。
  • HyperLynx BoardSIM 为 3D 仿真创建相应的设置并将其发送到全波解算器。
  • 全波解算器按照所需的频率对三维区域进行建模,并创建用于 SI 分析的模型。这些模型包括端口元数据,用于指示它们在全信道模型中应如何连接。
  • BoardSim 将 3D 仿真器中的模型与轨迹和连接器模型相结合,以创建代表通道的模型。
  • 然后,BoardSim运行协议感知型SI模拟(通常是SerDes或DDR分析),以确定系统级别的运营利润率。这会告诉用户哪些信号通过了,哪些信号失败了,失败了多少。

全面的可视化和后处理

HyperLynx 的 Full-Wave Solver 包括全套输出绘图工具,这些工具可以显示行为并在仿真进行时实时更新,使用户能够看到模型在仿真运行时是如何演变的。其中包括以线性、对数和分贝尺度显示的实数、幅值、虚数和相位行为的图。还支持极地绘图。

仿真完成后,可以使用动画电流和场密度图来进一步研究结构的行为。

可以对仿真结果进行后处理,以消除端口结构的嵌入效应,检查并强制执行被动性,将大型矩阵拆分为较小的矩阵,调整端口参考终止值以及将单端数据转换为混合模式数据。

仿真模型可以使用 spice 包装子电路导出为 S、Y 和 Z 参数数据,以包含在系统级电路仿真中。生成的模型还包括端口元数据,这些元数据定义了每个端口代表什么,以及应如何将其连接到更大的模型中以进行系统级仿真。

full wave solver reporting

性能可扩展

全波求解是所有求解器应用程序中计算和内存消耗量最高的应用程序,因为它提供了最高的精度,对正在求解的结构所做的假设也最少。HyperLynx 使用两层策略来提高求解器的吞吐量:

  • 第一个(也是最简单的)性能层涉及为单个求解器运行添加更多 CPU 内核。在这种情况下,求解器在可用内核之间分配任务,以更快地完成任务。用户控制每个解算器任务允许使用多少个内核。与任何分布式分析过程一样,添加更多内核最终会达到回报递减的地步。此时,如果在大型服务器上运行模拟,则可以并行运行多个仿真以提高吞吐量。
  • 第二层涉及将多个求解器运行分布到局域网中的不同计算机。这允许将仿真性能扩展到非常高的水平,尤其是在有大量求解器作业要运行时。 HyperLynx Advanced Solvers 任务分配 (HL-AS JD) 提供了一个求解器任务管理层,允许用户控制仿真作业的执行方式和地点。HL-AS JD 可以直接通过局域网分配和管理仿真作业,也可以连接到商业负载管理系统(LSF、Windows HPC),以利用现有分析基础架构(如果可用)。
HLAS - HyperLynx Scalable Peformance 1280x720

脚本编写和自动化

信号和电源完整性分析是复杂的多步骤过程,更改单个选项会显著影响最终结果。由于这些仿真通常耗时长、计算和内存密集型,因此确保正确设置仿真并持续执行至关重要。如果无法确保持续准确地执行仿真,调整和重新仿真就会浪费大量时间。

HyperLynx Advanced Solvers 既可以交互运行,也可以通过基于 Python 的自动化运行。这允许使用交互式分析对设计进行初始设置、分析和调试,以确定最佳仿真设置。然后,随着设计的迭代,这些设置可以通过自动化重复使用,以确保分析始终以相同的方式运行,报告相同的指标并生成相同的输出模型。解算器可直接使用交互式命令行脚本编写环境,因此用户可以开发和测试其自动化脚本。

HyperLynx 高级求解器自动化是整个 HyperLynx 系列更广泛的脚本框架的一部分,该框架允许创建自动多工具分析流程。这个面向对象的脚本框架包括用于电源完整性、信号完整性和串行链路合规性分析的预定义流程,允许用户使用几行自定义代码进行复杂的分析。

HyperLynx Scripting and Automation
全波解算器

Resources