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汉普完成一系列基于FPGA的高性能硬件仿真设计并成功量产


汉普完成一系列基于FPGA的高性能硬件仿真设计并成功量产

 

        随着人工智能、大数据、云计算等各个领域的快速发展,人们对于数据计算与传输能力的提升也提出了更高的需求,传统计算机、服务器的性能功耗比提升已经难以满足研发和使用者的需求,Xilinx & Altera FPGA凭借性能、成本、稳定性和长期维护方面的优势,在高性能计算、通信、医疗和工控等领域占有重要地位。

 

        高端FPGA器件的本身特性就决定了其高性能、高功耗的特点,同时其应用领域也要求必须具有长寿命、高可靠性。所以对于高速FPGA类产品,尤其是尺寸空间受到严格约束的PCI-E卡类产品,其PCB设计、仿真和加工制造方面将具有更加苛刻的要求。

 

        汉普凭借十几年的高速PCB设计、工程制造经验以及强大的供应链上下游工厂资源,先后已完成了Xilinx Virtex UltraScale+ KU9P KU11P KU13P KU15P & intel/Altera Stratix 10 GX、SX、TX、MX、400/650/850/1100等系列产品的研发、制造,以完善的PCB设计、优秀的产品性能、极具竞争力的设计与制造周期帮助多家客户完成了产品的SI仿真分析、PCB设计、PCB制造、器件采购与PCBA一站式服务。为客户产品快速推向市场提供了强有力的保障,获得客户一致高度赞誉。

 

 

高速信号仿真分析和PCB设计技术挑战:

  • 整板90%以上高速信号,如DDR4-2400,PCI-E 4.0(16G),100G光口(4x25G)等

  • 核心器件供电电流超过100A,整板功耗超过200W,功耗与发热都非常高

  • PCI-E半高,全高,全尺寸板卡等系列化设计,设计密度极高,布局、布线难度大

  • 整板散热设计、EMC设计、串扰抑制设计等均具有极高难度

  • 产品生产成本高、周期长,必须通过SI仿真与DFM仿真等方法保证设计一次成功

     

     

            汉普组织了专门的技术专家团队与原厂、客户进行充分沟通,明确产品的设计要求、制定设计与生产计划。通过完整的仿真分析、工程技术评估、制造工艺与材料规划等一系列过程,顺利完成了设计阶段的相关工作,如:DDR4高速信号仿真、PCI-E信号仿真、高速光网络信号仿真等。结合仿真分析结果,PCB Layout设计团队进行持续优化、改进,使PCB设计、仿真、制造参数均达到一个理想而平衡的结果。


     


    电源完整性和散热挑战

            该系列产品属于高性能计算类别,对于板卡性能有极高要求,而伴随性能提升而产生的电源完整性问题和散热问题也变的越来越严重,由于高性能的FPGA器件单颗芯片工作电流超过100A以上,单板工作电流和发热量极大,所以电源完整性的设计和仿真就显得极其重要。

            汉普研发团队通过借鉴以往对于大电流产品的设计经验,对该系列板卡电源通道DC-Drop、PDN阻抗、电源噪声等进行了完整的仿真分析,持续优化改进PCB设计,尤其是对于电流超过100A甚至200A的FPGA核心电源的优化设计,最终使所有电源仿真相关指标均达到原厂要求的性能标准。



    PCB&PCBA制造挑战:
           整板大部分为高速与超高速信号,需要采用多种专用设计和制造方法,降低PCB高速通道插损、回损,同时提升TDR连续性,以保证高速信号传输性能。必须严格控制阻抗设计与制造精度,以提升高速信号的性能,保证系统稳定性。
           产品密度高,单板层数达到十几层甚至二十几层,必须严格控制钻孔精度,对位公差等,PCB制造工厂的选择就显得极其重要。
    核心器件管脚超过2000pin,对于贴片控制精度以及焊接质量都提出了极高要求。

     

     

            在提高PCB设计质量的同时,还必须充分考虑PCB的可制造性能和生产成本的控制, PCB板材的选择、玻纤编织方式、铜箔型号等材料选择以及层叠结构、拼版方式都会对高速信号的质量产生重大影响。如何通过仿真分析、测试验证以及行业经验的支持来选择适合的材料进行设计、生产是非常重要的。

     

            经过汉普研发团队的充分讨论分析,结合了PCB设计、工程制造、测试维修等多个部门的经验和意见,同时经过细致的高速信号仿真分析,最终设计规划了一个优化到极限的层叠阻抗设计,既能满足严苛的电气性能要求,又能够平衡制造工艺方面的难度,同时还能够满足客户的产品交期的设计方案。