Article technique
🚨 Au départ de la conception : L’idée
Au départ d’un projet de conception électronique, et même mécatronique, l’idée. L’idée est vous permet de définir le besoin, mais en découle aussi les critères de conception, notamment de performance.
La performance devient de plus en plus un sujet critique, et donc le savoir-faire à haute fréquence devient une nécessité sur de nombreux projets. Désormais certains projets IOT embarquées utilisent de la DDR5, du PCIe 3.0. Le niveau de compétence demandé devient très élevé. La tendance du marché va vers des produits de plus en plus complexes.
AESTECHNO en plus de sa compétence industrielle a une compétence « High Speed ».
La réussite d’un projet High speed en quelques étapes :
1. Cadrage technique et fonctionnel
Chaque projet débute par une phase d’analyse des besoins, permettant de cadrer précisément les exigences techniques, environnementales et réglementaires du futur produit. Cette étape critique permet d’optimiser les choix technologiques et de limiter les risques dès le départ.
Quelques questions à se poser :
- Quel est le niveau de performance à atteindre ?
- Quels sont les signaux les plus rapides, et leur criticité ?
- Est-ce que mon équipe a la compétence, ou a déjà réalisé ce type de travaux ?
- Quels sont les membres de mon équipe ?
2. Architecture électronique et logicielle
Réussir un projet électronique haute performance c’est aussi avoir une architecture bien pensée dès le départ. Concevoir une solution Hardware très puissante sans avoir un excellent support logiciel ne sert à rien. Parfois le développement logiciel sur certaines cibles est plus complexe et plus couteux. Il est donc à bien définir son architecture matérielle en collaboration de son équipe logicielle.
3. Développement et pièges
Développer un prototype high speed fonctionnel est plus simple qu’on pourrait le penser. Les corrections d’erreurs des bus permettent de remédier à beaucoup d’erreurs de conception. Cependant en production, on peut rapidement être dépassé par un rendement de carte faible et des difficultés à cause d’un cout de test ou de non-conformité très important.
Limitation des performances par le medium et Stack-up
Il est donc important de bien travailler ses canaux de transmissions. Qu’ils soient par câble, PCB, ou bien par l’air. Un calcul de perte en ligne global est fortement recommandé pour les projets les moins rapides.
Quand on commence à dépasser certains débits (5Gbps), on commence à avoir quelques difficultés, si le développeur n’est pas expérimenté dans ce type de signal. Un PCB de type FR4 est limité à 5GHz en général. C’est pourquoi il est fortement recommandé de créer un stack-up dédié à son application. Cette partie est importante car elle fait appel à deux compétences : industrialisation et High-Speed. Et d’autant que le secret de la réussite se situe souvent ici.
Le choix des matériaux et de l’assemblage est essentiel !
4. Routage
Le routage est une partie qui peut être longue.
Un des points essentiels dans le routage High-Speed est de router dans l’ordre de criticité. Du signal le plus critique au moins critique. Le concepteur doit avoir réalisé au préalable une spécification de routage pour la personne chargée de réaliser le routage.
Quelques éléments à mentionner (Non exhaustif) :
- Longueur maximum et ou minimum des pistes
- Skew des signaux. (En simplifiant les timings ou les différences de délais)
- Sur quelles couches doivent passer les signaux les plus sensibles.
- Le type de via et le nombre de vias maximum
- Longueur de stub maximum
- Impédances et configuration de la piste
Le routage en impédance est impératif de base, mais insuffisant pour un routage haute performance. Ce que beaucoup de développeurs oublient.
5. Simulations
Le sujet des simulations est un vaste sujet.
Pourquoi et quand simuler ?
Il faut simuler lorsque vous n’êtes pas suffisamment confiant du résultat. Cela peut arriver à n’importe quelle fréquence.
Il faut donc bien connaitre son protocole, son budget de perte pour éviter de simuler. Bien entendu, cela dépends de la qualité du stack-up. Un stack-up cher vous évitera bien des soucis, mais par contre il sera plus cher en fabrication. Le curseur du niveau de simulation nécessaire dépendra essentiellement du volume et du risque.
L’un des outils de simulations des plus connus est ANSYS.
Signal Integrity (SI)
SI ou intégrité de signal.
Un développeur novice en High-Speed aura besoin de simuler avec des fréquences plus basses. Avec des compétences et des ingénieurs plus aguerris, ils pourront se passer de simuler pour tout ce qui est en dessus de 10-12Gbps. Au-delà les risques progressent significativement.
Power Integrity (PI)
PI ou intégrité d’alimentation.
L’intégrité d’alimentation est un facteur clef de la réussite. Une alimentation peut être non conforme bien qu’en apparence fonctionnelle.
Au-delà de la problématique de stabilité, il y a les problématiques de perte en ligne (DC-drop), et de manque de découplage en fréquence (AC).
On distingue deux types de simulations en PI, les PI DC et les PI AC.
La simulation PI DC va se charger de vérifier que tous les éléments d’un composant sont bien alimentés avec le même niveau de tension moyen.
La simulation PI AC va se charger de confirmer que la charge est bien alimentée et découplée sur toute une plage de fréquence.
Parfois nécessaires sur les cartes complexes, et souvent indispensables sur les plus complexes, elles prennent du temps et beaucoup de mémoire. Ces simulations permettent de garantir le fonctionnement au niveau de performance attendu.
Diagramme de l’œil
La simulation SI classique peut être simplement une extraction parasitique des pistes. Pour gagner du temps parfois il n’est pas nécessaire de faire une représentation de l’œil du masque du protocole.
Tracer un simple diagramme de l’œil peut être plus ou moins simple, en fonction du bus et du protocole observé. Mais ici c’est un cas idéalisé, et de nombreux paramètres ne sont pas pris en compte.
Un des paramètres est justement le PI. Des variations de tensions sur l’alimentation peut influer sur les performances des transceivers. Les transceivers sont les blocs de transmission haute vitesse intégré dans les puces. Ce ne sont pas toujours des transceivers notamment dans le cadre de la DDR.
Et la température jour aussi un impact important. Lorsqu’on simule, le réglage par défaut est souvent 300K ou 25°C. Mais le produit doit fonctionner sur toute la plage de température.
Cas réel mesuré :
Horloges
Attention aux horloges. Elles doivent être particulièrement soignées. Elles sont à la fois de gros pollueurs de signal, et les polluer peut poser beaucoup de problèmes.
Un critère important sur le choix et la conception des horloges est le Jitter (ou Jigue). C’est un point technique complexe à soigner.
Equaliseurs
Les équaliseurs sont des éléments complexes qui permettent de compenser une partie des défauts du médium. Pour simplifier, il est donc souvent nécessaire de préamplifier les signaux hautes fréquences car les pertes sont plus importantes. Les équaliseurs sont de plus en plus souvent de plus en plus automatiques.
Cependant les équaliseurs bloquent la lecture d’un signal avec un oscilloscope. Il devient impossible de faire une mesure cohérente sans une fonction équaliseur intégré dans l’oscilloscope. Et très souvent ce type de solution est très onéreuse.
Cette fonction lorsque pas automatique est à configurer dans le composant. Il doit donc y avoir des échanges techniques entre le concepteur et celui qui réalise le logiciel embarqué.
6. Prototype et validation
La validation des liens série peut se faire de plusieurs façons. La manière la plus conforme est de passer des tests de conformité. Exemple : Nous avons passé la « compliance PCIe end point » pour un produit.
Ces outils sont relativement onéreux et permettent de valider votre produit selon la norme ou le standard. Les outils de calculs sont les mêmes que ceux utilisés dans le cadre de la conception d’une nouvelle puce.
Ces essais sont très stricts et bien que le produit fonctionne, il peut s’avérer des non-conformités. Ces non-conformités peuvent parfois poser des problèmes notamment en production ou en température. La variabilité des composant étant un vrai sujet.
7. Industrialisation et vie série
Une fois le prototype validé, AESTECHNO accompagne ses clients dans l’industrialisation, en s’assurant que l’intégrité de signal soit conservée en production. L’un des problèmes souvent rencontré est que le suivi est mal assuré et la qualité se dégrade.
Passez de l’idée à l’impact avec AESTECHNO
⚡Innover ne suffit pas. Pour exister sur le marché, un produit doit être fiable, certifié, industrialisable… et livré dans les temps. AESTECHNO vous aide à concrétiser vos ambitions, avec rigueur, agilité et vision industrielle.
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