Есть одна большая тема, о которой почему‑то все молчат, а особенно SI/PI инженеры или люди, которые пишут эти буковы в резюме/вакансии, которые заявляют об умении моделировать. У меня сложилось впечатление, что в большинстве обучающих материалов по SI/PI внимание сосредоточено на печатной плате, тогда как моделированию полного канала передачи сигнала уделяется значительно меньше времени.

Казалось бы, что может быть легче? На печатной плате у нас есть 2 вида передачи сигнала одиночной линией или дифференциальной. Все мы знаем про импеданс и что нужно его согласовать, на следующем уровне мы говорим про опорные плоскости и возвратные токи, чтобы они не разрывались под линией. На следующем уровне мы начинаем смотреть S‑параметры у нашей линии, видим какие‑то значения, делаем какие‑то выводы, потом естественно вспоминаем про IBIS‑модели, о которых чуть позже поговорим.

На этом большинство инженеров ставит точку. Кажется, что всё уже сделано: импеданс согласован, возвратные токи учтены, S‑параметры получены, IBIS‑модель подключена. Значит, модель готова и результаты моделирования можно считать достаточно достоверными. Но именно здесь и кроется главная ошибка. Печатная плата — это лишь часть линии передачи сигнала. Если ограничиться только ею, то модель неизбежно начинает расходиться с тем, что происходит в реальном устройстве. Именно поэтому в этой статье мы посмотрим на канал передачи сигнала целиком. 

Какие модели вообще существуют?

Все, кто хоть немного занимался моделированием, обычно слышали про IBIS‑модели, кто‑то работал со SPICE, а кто‑то вспоминал и про S‑параметры. Формально всё это — модели, которые используются в симуляции, но описывают они систему на разных уровнях и решают разные задачи. Поэтому важно понимать не только «что это такое», но и когда какую модель имеет смысл применять.

SPICE — это, по сути, электрическая схемная модель устройства или его части, построенная на эквивалентной схеме из транзисторов, диодов, резисторов, источников и других элементов.
Такая модель описывает внутреннюю электрическую структуру компонента и позволяет достаточно точно анализировать его поведение во времени и по напряжениям/токам.

SPICE‑модели хороши там, где нужно:

• анализировать работу аналоговых и силовых схем;

• смотреть переходные процессы;

• оценивать форму сигнала, токи, напряжения, ringing, overshoot;

• исследовать влияние обвязки, паразитных элементов и режимов работы.

Как мы можем понять, главным преимуществом SPICE является высокая точность модели. Отсюда мы получаем и главный недостаток — за эту детализацию приходится платить временем и необходимостью больших вычислительных мощностей, а сами модели не всегда доступны, особенно для сложных цифровых микросхем.

IBIS (Input/Output Buffer Information Specification) — это поведенческая модель буферов ввода‑вывода микросхемы.
В отличие от SPICE, она не раскрывает внутреннюю транзисторную схему компонента, а описывает его поведение на выводах: зависимости напряжения и тока.

IBIS‑модели особенно удобны для:

• анализа целостности сигнала (SI);

• проверки согласования и отражений;

• оценки overshoot/undershoot;

• моделирования шин DDR, PCIe, USB, Ethernet и других высокоскоростных интерфейсов;

• сравнительно быстрых пост‑ и pre‑layout расчётов.

Их ключевое преимущество — это скорость работы и небольшие требования к вычислительной мощности. Они заметно быстрее SPICE и при этом хорошо подходят для цифровых интерфейсов, где важно корректно описать драйвер, приёмник и взаимодействие с трактом передачи.

S‑параметры

Если SPICE и IBIS обычно описывают активные компоненты или их выводы, то S‑параметры чаще применяются для описания линейных высокочастотных трактов: линий передачи, разъёмов, переходных отверстий, корпусов, кабелей, фильтров и других пассивных или квазилинейных структур.

S‑параметры показывают, как электромагнитная энергия проходит через многопортовую систему: какая часть сигнала проходит дальше, какая отражается назад, какая переходит в соседние линии.
Например:

• S11 — отражение на входе;

• S21 — передача сигнала через канал;

• S31, S41 — паразитная связь и перекрестные наводки между соседними цепями.

Еще реже S‑параметры используются для анализа питания микросхемы, особенно в случаях, где используются внутренние конденсаторы (on‑die capacitance). Тогда, используя такую модель, можно удобно анализировать PDN при SSN режиме (Simultaneous Switching Noise — шум одновременного переключения). За всю свою практику я встретил это всего раз и то, это был обучающий проект, который очень удобно лег в существующий проект.

Корпус микросхемы — первое, что все забывают

В моделировании на уровне печатной платы исторически все моделируют используя IBIS‑модели. Чтобы не вдаваться в подробности любая такая модель состоит глобально из двух частей: параметры корпуса (RLC) и ВАХи выводов. Это то, что необходимо запомнить раз и навсегда, почему? Потому что некоторые производители дают отдельно модель корпуса (pkg) и отдельно ВАХи, по большей части это касается микросхем, где в одном корпусе множество разных вариантов чипов (например почти вся линейка Xilinx). Важно также уточнить, что эти ВАХи указываются не для каждого пина, а для группы, дальше вы поймете почему. После этого эти модели собираются на этапе описания чипа на verilog и других языках, что уже явно не наша область. При наличии исходных данных и понимания спецификации IBIS подобную модель можно создать самостоятельно из значений pkg и ВАХов. На мой взгляд, этим навыком должен владеть уверенный SI/PI‑инженер. 

А теперь важный факт, 99% IBIS‑моделей — это результат моделирования SPICE моделей. Да‑да, если вы откроете любую IBIS‑модель, то вы увидите, что она создана с помощью «s2ibis3» или другим софтом, например Cadence Layout Workbench. Именно поэтому ВАХи даются для группы, так как SPICE описывает одну и ту же внутреннюю архитектуру, а паразитные эффекты образуются уже на выводах, чьи параметры заданы в виде RLC. Это кажется очень парадоксально, но измерение каждого вывода настолько дорого и невыгодно, что моделирование на уровне чипа используется всеми и всегда. 

Да, тот же Xilinx проводит последующие измерения, чтобы верифицировать свои расчёты, о чем и пишут в своих моделях. И да, SI/PI инженеры существуют и на уровне кристаллов и я даже больше скажу, в разработке современных микросхем специалисты по SI/PI уже давно являются стандартной частью команды, так как макетирование кристаллов стоит огромных затрат.

Итак, коротко мы узнали, что для моделирования SI/PI на уровне платы, нам необходима IBIS‑модель, которая и точна, и не требует таких больших вычислительных мощностей. Давайте заметим слона в центре нашего зала и скажем, что начиная с 2014 года и особенно сейчас, любая компания из России не может так спокойно и официально получить у производителя всю необходимую документацию и модели. Это особенно касается IBIS‑AMI моделей, где присутствует часть обработки сигнала внутри чипа, такие модели производители предоставляют только по личным запросам. Да, можно как‑то обходить все это и что‑то придумывать, но для внедрения этого централизованно в систему верификации компании нужен стабильный доступ к этим моделям. Поэтому, если вы счастливчик и успели заполнить свои библиотеки до всеобщих санкций, работа пойдет отлично, пока та или иная микросхема не выйдет из производства. Поэтому меня всегда поражает требование некоторых

Еще давайте кратко, прям совсем немного расскажу про пассивные компоненты. В некоторых линиях передачи используются те или иные фильтры или конденсаторы, которым тоже нужны модели. В простейшем случае пассивный компонент можно описать эквивалентной RLC‑моделью. Для предварительных оценок этого зачастую достаточно. Однако с ростом частоты такого описания уже не хватает, поэтому приходится использовать S‑параметры. Именно поэтому нам нужны S‑параметры, но встает логичный вопрос, а где их взять? У большинства крупных производителей, таких как Murata, Panasonic, TDK и других, такие модели доступны в открытом доступе. Отлично, радуемся, мы решили проблему, но есть нюанс, который показан на графике ниже  

Практически все параметры пассивных компонентов зависят от температуры. Для некоторых типов керамических конденсаторов изменение емкости по всему температурному диапазону может достигать 5–10%, а иногда и значительно больше. К этому добавляется производственный допуск (например ±10% для распространенных конденсаторов) и изменение параметров под действием постоянного напряжения. На саму линию передачи это скорее всего повлияет очень косвенно, это больше касается PI, но при совместной симуляции это вылезет наружу. Дело в том, что любые S‑параметры описывают компонент только при определенных условиях измерения или моделирования. Как правило, они соответствуют одной фиксированной температуре, поэтому при реальной эксплуатации характеристики могут заметно отличаться. Поэтому любой инженер должен понимать, что для современных проектов, где большое количество компонентов и очень компактный дизайн, без первичного теплового анализа платы, любое такое моделирование, следует рассматривать лишь как первое приближение. Да, первые прикидки делать можно и нужно, реальную эксплуатацию никто не отменял

В IBIS обычно присутствуют три варианта модели, соответствующие различным сочетаниям технологического разброса, напряжения питания и температуры (PVT). 

В большинстве случаев такого приближения оказывается достаточно, поскольку между моделями изменяются в основном ВАХ выходных каскадов, формы фронтов и задержки распространения сигнала. В некоторых моделях также могут отличаться паразитные параметры корпуса (RLC).

Печатная плата — далеко не вся линия передачи

Тут мы очень коротко затронем тему линии передачи на печатной плате. Современные программы очень точно умеют просчитывать S‑параметры дорожек, но все же стоит выделить одно место, которое является не таким тривиальным, а именно переходные отверстия.

Одним из основных источников отражений являются переходные отверстия, которые потом негативно скажутся на нашем сигнале. И это понятно, сама структура переходного отверстия говорит о том, что однородности в нем мало, это легко увидеть в разрезе, что в каждой точке «стакана» будет своя индуктивность и емкость. Более подробно это можно почитать в статье Берта Симоновича в статье «PCB Laminate Anisotropy: The Impact on Advanced Via Modeling» (он кстати получил награду лучшему инженеру в 2026 году за серию статей про это). Помимо этого стоит напомнить, что структура, которую вы закладываете в свои модели (stack‑up, геометрию проводников и зазоры) напрямую влияет на ту точность, которую вы получаете. Из самого простого, что уже сегодня вы можете проверить, это указать более точную толщину меди на внешних слоях, то есть с учетом гальваники, а второе добавить шероховатость на все ваши слои меди. Информацию по этим параметрам вы можете запросить у вашего производителя. 

Более правильным подходом будет измерить реальные платы и узнать истинные параметры. Данный вариант достаточно сложный и дорогой, но оправдывает себя, если вы работаете с ограниченным числом поставщиков. Для начала вам нужно разработать дизайн прототипа, который бы охватывал максимальное число возможных вариантов геометрий проводников и материалов. Далее уже после производства измерить каждый проводник, а после сделать срезы во множестве мест и измерить реальные параметры. Какие параметры? Все, что вы задаете в модели, толщины диэлектриков, толщины меди, геометрия, трапеция, сдвиг между слоями и множество таких параметров. После чего повторять и повторять это, для сбора статистики и выявления отклонений. Для этого необходимо взять минимум 5 плат для каждой из 3 разных партий, после чего построить модель отклонений именно этого завода или производителя и закладывать это в модель. Сложно? Да, это ужасно сложно и муторно, но чем выше скорости, тем точнее должна быть ваша модель, потому что точность начинает сказываться на всем. 

Многие мне скажут, вот у вас есть допуски с ними и работай. Да, это справедливо, но если у вас есть человек, который умеет моделировать или думает, что умеет, спросите его «А ты моделируешь крайний случай?». Я уверен на 100%, что ответ будет отрицательным и оно и понятно. Параметров у печатной платы очень много, промоделировать предельные отклонения каждого параметра будет очень затруднительно. Хотя давайте посчитаем, для 10 параметров с двумя крайними значениями, необходимо промоделировать 1024 случая. Мы опустим, сколько есть вариантов для переходных отверстий, такие вычисления к сожалению, почти невозможны на уже готовых дизайнах, только руками править дизайн и менять автоматически другие параметры. А модели, не повторяющие геометрию, находящиеся в «схеме» все так же далеки от реальности, но скажем честно, лучше чем ничего. Именно поэтому, работа с реальными данными полученной топологии экономичнее, если ограничить проверяемые параметры, которые очень просто запросить у производителя (если это Китай).

Прямо перед тем как выложить статью, я нашел выступление на Design Conn 2024 представителей Samtec и ANSYS, которые показали, как можно задать автоматическое изменение более 50 параметров переходных отверстий и stack‑up в HFSS. Они это делали с помощью собственного скрипта, но это не отменяет, что это возможно, хоть и пока в массы не ушло.

Самая недооцененная часть — разъемы и кабели

И вот мы добрались до самого интересного и моего любимого. У меня всегда это вызывало много вопросов и углубившись, я понял, какой это ад. Начнем издалека, если взять высокоскоростные интерфейсы с частотой более 1 ГГц на линию (2 Гбит/с), сколько вы знаете тех, которые работают только внутри печатной платы? DDR и …. из не экзотики, наверное, всё. Все остальные интерфейсы так или иначе передают/принимают сигналы внешним устройствам, будь то Ethernet, USB, PCIE и многие другие. Для многих этих интерфейсов даны глазковые диаграммы, но это глазки всего канала, но никак не одной платы. В этот канал входят как и соединители, так и платы, а иногда и кабели. Для некоторых мы можем встретить распределение потерь, на тот или иной участок линии передачи (так, например, у USB и Ethernet), но глазка точно не будет, а ведь именно он сейчас является стандартом определения работоспособности линии передачи.

Здесь мы и понимаем, что нам необходимо как‑то встроить потери на разъемах и кабелях в нашу модель, для получения реальной картины. В данном случае, так как разъемы и кабели являются линейными нам отлично подойдут S‑параметры. Тут многим кажется, ну это же просто, так ведь? Да?

Для решения этой проблемы есть 3.5 пути, это получить S‑параметры у производителя, промоделировать модель данную производителем и самим получить S‑параметры, измерив реальный разъем самим. Разберем каждый пункт по порядку

Зайдя на сайт производителя на карточку необходимого нам товара, будь то разъем или кабель, мы сильно удивимся, увидев отсутствие каких‑либо файлов. Думаете я вру? Пойдемте посмотрим, на примере Backplane EBTF-6-12-2.0-S‑RA-1. Дочитав до документации, мы можем найти графики S‑параметров для данного разъема и даже посмотреть, как он измерялся, но никаких S‑параметров в файле мы не найдем, а это разъем для PCIE 6.0, где точность важна. Да, можно примерно как‑то на глаз повторить это кривую самостоятельно, но мы же тут разговариваем про реальность, так что забудем про это. Если быть честным, иногда все же можно встретить S‑параметры, но насколько они массово используются мне судить сложно (например 1 713 291 020 от Molex, но взяв 2 214 550 001 для USB 4.0 их уже нет). Еще иногда производители могут представить их по запросу, но смотрим выше и вспоминаем про санкции. Например тот же Samtec и ANSYS имеют библиотеку таких моделей, но без официального ПО и еще разрешения Samtec вы их не получите.

Теперь перейдем к экстракции S‑параметров из модели, здесь будет быстро и прозаично. Возьмем тот же разъем и его 3D модель, благо её производитель предоставляет во всех возможных форматах. Открываем и удивляемся, она пустая. Да, она полая внутри, на ней есть только внешняя оболочка, но соединений внутри нет. Думаю, объяснять не надо, что никакие параметры мы здесь не получим. Да, мы можем додумать, как они там идут и какая конфигурация у них там, но это боюсь никак не поможет нам сделать достоверную модель. Честно скажу, что я за все время не встретил ни одной модели, которую можно было бы легко промоделировать, это всегда корректировка той модели, которую представляет производитель, что вносит расхождения с реальностью.

Остаются только измерения и как бы это ни было, это единственный способ уверенно получить S‑параметры. Но как показывает практика лишь единицы имеют возможность заказать тестовую плату, полностью и точно ее измерить и только потом уже делать какие‑либо моделирования. Кроме того, что это дорого, требует хороших навыков и умений измерений, это просто долго. Возвращаясь к нашему разъему EBTF-6-12-2.0-S‑RA-1 Samtec сам демонстрирует такие стенды. Используя такой подход в начале будет тяжело, но после наработки библиотеки компонентов, работа станет намного проще и предсказуемее, особенно если сказать, что разъёмы — вещь достаточно стабильная и один и тот же тип имеет очень близкие потери. 

Вы меня спросите, а где та половина было же 3.5 варианта? Это половина продолжает прошлый вариант. В современных САПРах по моделированию, зачастую уже есть модели потерь на многих современных интерфейсах. Например в ADS есть модели с уже заложенными потерями на USB, Ethernet, PCIE, что является отличным инструментом, но вопрос к точности остается таким же открытым.

Заключение

На мой взгляд, сегодня многие компании хотят видеть в вакансии опыт SI/PI‑моделирования, но далеко не всегда готовы инвестировать в измерения, библиотеки моделей, лицензии на специализированное ПО и квалификацию специалистов. В результате моделирование нередко превращается в красивый отчёт, который должен подтвердить уже принятое решение. Сегодня во многих компаниях SI/PI‑инженера используют скорее как инструмент перераспределения ответственности: при возникновении проблем её пытаются переложить с разработки на монтаж, производство или поставщиков компонентов. Пока устройство работает — о моделировании вспоминают редко. Но если возникают проблемы, начинается привычная игра в поиск виноватого: программисты что‑то сделали не так, производитель печатных плат нарушил технологию, поставщик прислал «не ту» микросхему или просто попался производственный брак. Разработка же показывает отчет и доказывает, что у них все отлично, проблема не в них. При этом вопрос о том, насколько сама модель вообще соответствовала реальному устройству, зачастую так и остаётся без ответа.

На мой взгляд, именно это и привело к тому, что многие компании сегодня относятся к SI/PI‑моделированию весьма скептически. Где‑то его вовсе перестали использовать, потому что однажды попытались внедрить, получили результат, который не совпал с реальностью, и сделали вывод, что «моделирование не работает». Где‑то моделирование существует только формально: строятся красивые графики, генерируются отчеты, но никто не задаётся вопросом, насколько используемые модели соответствуют реальному изделию. И лишь немногие компании действительно выстраивают полный цикл: создают библиотеки моделей, проводят измерения, верифицируют расчёты и постепенно повышают точность своих моделей. Есть отдельный вопрос, а нужен ли вообще SI/PI инженер в вашей команде или нет, но это тема другого разговора.

Масла в огонь добавляет и то, что сегодня всё чаще можно встретить специалистов, которые пишут в резюме буквы SI/PI, но при этом не могут разобраться в структуре обычной IBIS‑модели, не понимают, как собрать её из отдельных файлов (IBIS, PKG, AMI), или не учитывают реальную температуру и нагрев, или, что ещё хуже, бездумно нажимают, получают какой‑то результат, а что это и почему никто не понимает. В результате доверие к самому подходу снижается, хотя проблема зачастую заключается вовсе не в методах моделирования, а в качестве исходных моделей, квалификации исполнителя и понимании того, что именно следует моделировать и зачем.