聊聊1.6T光模塊的仿真

公眾號 | 高速先生，作者 | 周偉

關(guān)于光模塊的仿真，從10GE到1.6TE的光模塊其實(shí)我們都有仿過，很多客戶一開始的需求都是希望能看下眼圖，但經(jīng)過我們解釋后，最后還是同意按照協(xié)議進(jìn)行無源仿真，今天我們就來聊聊為什么只仿真無源而不去仿真有源看眼圖的方式吧。

如下是我們其中一個1.6T光模塊的部分設(shè)計(jì)線路圖，這些高速信號的線路又被分成了兩部分：一部分是從OSFP金手指到中間的DSP芯片，分別由8對TX和8對RX組成，每對200/224Gbps的速率構(gòu)成了收發(fā)1.6TE的通道；另一部分就是從芯片到TOSA和ROSA接口焊盤，也是由8對TX和8對RX構(gòu)成，每對也是200/224Gbps的速率。金手指到DSP芯片部分是有協(xié)議損耗要求的，而后一部分協(xié)議上沒有定義相關(guān)的電氣要求。

初看起來好像和400GE、800GE的光模塊都是一樣的套路，看不出難度在哪里，但再一細(xì)看，難度就不是一個級別了，最主要的難度就是中間芯片的Pitch（芯片焊盤中心間距）只有0.15mm，如下圖所示：

這么小間距的Pitch要怎么出線呢？而且還是差分走線，這就對設(shè)計(jì)來說難度和考驗(yàn)都很大。這么小間距的設(shè)計(jì)一般就需要用到mSAP工藝和任意階HDI設(shè)計(jì)了，這種工藝介于芯片封裝基板和PCB板之間，后面大家感興趣的話可以讓咱們的東哥來介紹一下，今天我們先跳過，只要知道有這個工藝即可，來看看我們的走線線寬就知道為什么不能用普通的工藝了，就問差分線2.1mil的線寬，2.8mil的間距，普通PCB生產(chǎn)工藝能生產(chǎn)嗎？

這時候可能就有人要問了，設(shè)計(jì)難度可以理解，那這種1.6T光模塊的仿真有什么難點(diǎn)呢？

其實(shí)相對于仿真來說，設(shè)計(jì)是簡單的，設(shè)計(jì)只要保證連通性就好了，簡單來說就是只要能順利把線走出來就成功了一半，難的是除了線走出來，還要能保證信號質(zhì)量，這個就必須通過仿真來保障了。前面說了1.6TE光模塊的信號速率最高是224Gbps，當(dāng)然是PAM4編碼的，那么它的基頻就到了56GHz了，頻率越高，仿真難度就越大，后面的線損也很大，一點(diǎn)點(diǎn)差異都會影響到最終的性能，如材料的選擇，不同層的出線和過孔優(yōu)化方式等；普通的通孔設(shè)計(jì)在頻率不是太高的時候過孔特性差異不是很大，但到了30GHz甚至50GHz以后，再疊加任意階HDI的過孔，不同層的過孔就需要單獨(dú)進(jìn)行仿真，還有金手指處的焊盤也需要特殊優(yōu)化，我們會加上連接器的3D模型來模擬真實(shí)插上連接器時的特性，這樣和實(shí)際情況更接近，仿真也更準(zhǔn)確；所有的這些操作帶來的后果就是工作量變大，需要的仿真時間更多了。

那為什么光模塊的仿真很多只仿真無源而很少仿真有源眼圖和誤碼率呢？這確實(shí)是很多人關(guān)心的話題。首先我們來看看光模塊VSR協(xié)議的無源要求吧，如下圖是OIF-CEI-5.1協(xié)議上摘抄的關(guān)于112G-VSR-PAM4對于PCB通道的參考模型及損耗要求。

協(xié)議上面對于無源插損的要求比較明確，Host主板上的損耗最大是12dB，連接器的損耗最大2dB，光模塊及電容的損耗最大2dB，總共系統(tǒng)16dB的損耗，一般來說只要PCB板級能滿足這個損耗要求就已經(jīng)符合協(xié)議的指標(biāo)了，剩下的就是芯片的事啦（不排除有部分芯片性能比較差的可能）。

對于仿真來說，在沒有芯片ami模型的情況下，我們就只需要保證PCB板級的損耗符合上面的協(xié)議要求即可，一般這個無源損耗的指標(biāo)會比較嚴(yán)格，只要這個無源損耗滿足了，當(dāng)然還有其他的指標(biāo)如回?fù)p、模態(tài)及串?dāng)_等指標(biāo)也要滿足，那么大部分的芯片都是可以正常工作的，因?yàn)樾酒男阅芤惨凑諈f(xié)議的指標(biāo)要求來，大家都要在這個協(xié)議的框架下工作，任何環(huán)節(jié)都不能脫離這個協(xié)議框架，否則那就沒得玩了，這就是有協(xié)議的好處。

無源仿真就相對簡單很多，只要有PCB設(shè)計(jì)文件，疊層和材料信息就可以開始建模仿真優(yōu)化了，只要仿真方法得當(dāng)，材料信息準(zhǔn)確，那么無源仿真出來的結(jié)果就能作為判斷依據(jù)；但有源仿真就會復(fù)雜很多，需要有系統(tǒng)的所有信息，如主板Host和光模塊上芯片的ami模型，連接器的3D及S參數(shù)模型，主板Host和光模塊上的走線情況（如S參數(shù)模型，PCB文件及疊層信息等）。

很多時候如果不是做系統(tǒng)的廠家，很少能全部集齊這些模型，如做主板Host端的，就很難拿到光模塊部分廠家的資料，因?yàn)橹靼錒ost還要兼容各個廠家的光模塊；而做光模塊端的，則沒有主板Host端的資料，同時他們也不僅僅只特供給某一家主機(jī)Host端，所以要搭配一起做系統(tǒng)仿真就比較困難。

現(xiàn)在協(xié)議既然有無源分段的指標(biāo)要求，那么就按照“鐵路工人各管一段”的原則，大家各自管好自己部分的損耗要求，那么合在一起也是可以滿足的，這就是前面說了大家都要在這個協(xié)議的框架下工作。好了，希望下次不會再有人讓我們進(jìn)行系統(tǒng)的有源仿真了，除非本身是做Host和光模塊整個系統(tǒng)的，有系統(tǒng)的資料可以提供一起來仿真。

Q、本期提問：下期將分享其他速率的光口協(xié)議，關(guān)于協(xié)議大家可以提前說一下自己最想了解的部分，謝謝！

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