性能VS功耗 | Ansys助力HARMAN加速提升汽车网联技术性能

本文原刊登于Ansys Blog：《Making Faster Connections: How Ansys is Helping HARMAN Accelerate Connected Car Technology Performance》

作者：Magdalena Kuczkowska | Ansys市场营销经理

编辑整理：罗辉 | Ansys主任应用工程师

“我们可以在不影响车辆续航里程的情况下获得更高的速度和更多数据。诸如Ansys HFSS这样的工具，使我们能够通过优化设计来不断扩展性能目标，并帮助消除流程中耗时的设计返工。”

——Frank Gitzinger，HARMAN数字座舱产品研发总监

便携式数字技术的普及迅速改变了我们的生活。如果想查看电子邮件，了解自己走过的步数，或查找距离最近的星巴克，您可以使用笔记本电脑、Apple Watch、iPad或者智能手机。与此同时，5G和自动驾驶的出现加速了人们对超高速、低时延性能以及无论何时何地都能进行多重连接的期望，这当然也包括在汽车里。

驾驶员以及他们搭载的每个乘客，都在寻找一种方式，以便能实现从家到车辆再到目的地的整个过程可以无缝切换，从而不会影响数字生活的互联体验。在Ansys的帮助下，汽车网联技术领域的全球领导者和创新者HARMAN正在提供实现这种体验所需的硬件和软件服务。

先进的数字驾驶舱域控制器，包含一个驱动五个显示器的片上系统(SoC)，同时提供高水准音频和最新一代的连接技术

HARMAN数字座舱产品研发总监Frank Gitzinger表示：“车内的乐趣，已从实际的驾驶体验转向延续人们生活方式的体验，此外还需能满足人们在车内的所有偏好。理想情况下，您可以在家中播放喜爱的歌曲，然后当进入车内时，您的播放列表就可通过USB、Apple CarPlay或类似的连接应用无缝地继续播放；而当到达目的地时，您还能够使用手机继续听那些音乐。通过我们的5G技术，这种体验将尽可能地便捷，以确保您在整个过程中，始终可以连接到互联网和云端。”  

随着数字环境的快速变化，达到上述性能水平听起来非常简单。但由于硬件和计算功能并未经常更新，以及缺乏支持系统的应用和服务，大多数车载信息娱乐系统的功能仍然有限。电气化和自动驾驶的转变趋势，对原始设备制造商（OEM）提出了更多的要求，以平衡功耗与车辆性能，而这就需要更快的数据传输速率、高速数字接口和新一代存储器。这就是DDR5的用武之地，它是一种功耗更低、支持更高数据速率的同步动态随机存取存储器。DDR5能够提升新一代移动应用程序和其它汽车应用程序（Apps）的性能和效率，从而显著改进5G、人工智能（AI）以及摄像头和显示技术。

在HARMAN的座舱环境中实施DDR5是一项复杂的任务，因此在没有信号完整性（SI）仿真的情况下，很难对布局充满信心，而这主要是由于高速传输速率和所涉及的SI约束的复杂性。极高的数据速率加上设计不良的电路板会产生不必要的干扰，这可能会导致数据传输完全中断，最终发生故障。为了避免这种情况，Gitzinger和团队使用Ansys HFSS仿真软件来对控制器设计进行仿真，包括从主处理器（也称为片上系统，SoC）到存储器的各个方面。利用性能数据，他们可以通过仿真验证设计，同时满足全球电子标准机构JEDEC和其他监管机构的要求。 

眼图是信号质量的指标，模拟信号的完整性。将结果与JEDEC定义的眼图模板进行比较，眼图有助于预测性能并识别可能的问题来源，如串扰，抖动和阻抗匹配。在PCB构建之前纠正潜在问题，切实节省了开发交付周期和资金

Gitzinger表示：“我们在产品中集成的每一代SoC都能提供更高的性能，而且与座舱控制器的功耗水平大致相同。我们可以在不影响车辆续航里程的情况下获得更高的速度和更多的数据。诸如Ansys HFSS这样的工具，使我们能够通过优化设计来不断扩展性能目标，并帮助消除流程中耗时的设计返工。”

汽车领域许多OEM厂商的目标是，将仪表板转变为提供关键安全和娱乐信息的显示器。而HARMAN正使用电子控制单元（ECU，也称为座舱控制器）来实现这一目标。Gitzinger的团队最近采用Ansys仿真技术，在德国、北美和中国等著名汽车制造商提供的高端信息娱乐系统中，真正实现了这一技术应用。其数字设计包含了一个非常强大的座舱域控制器，用于驱动所有显示器，这些显示器无缝集成到仪表板中，还支持智能手机等应用的投影。

高速信号无法简单地通过传统测量方法进行测量。而使用HFSS，工程师能够以极高准确度快速分析构成其信息娱乐系统内存接口的各种网络信号的质量和时序关系。此外，在发射器和接收器之间的任何节点都可以生成结果。

以复杂电路板为例，HARMAN有很多种过渡方式，从一层到另一层，然后到另一个集成电路（IC），再到连接器。一个IC和另一个IC之间的铜片被称为net。测试SI所需的net信号探测，在实际的物理应用中并不总是可行的。如果您有一个4-8层的多层印刷电路板，不可能使用传统的测量设备正确地测试到内层的信号。而使用HFSS，HARMAN可以对每个net上的信号进行数字探测，以快速、准确地验证信号时序，调整信号行为以获得最佳性能。

偏移仿真是信号相对时钟的时间差。该仿真可确保同一组中的信号同时传输数据，并避免数据有效窗口冲突

对于Gitzinger而言，使用Ansys仿真软件的优势显而易见。对于他的团队而言，在基于真实物理的仿真环境中测试准确性，是加速开发且同时降低成本的关键。

Gitzinger表示：“在硬件设计中运行不必要的循环工作需要花费数月的时间，因此行业内没有人能够负担得起。每次都需要修改原理图，重新进行设计，然后构建新的原型，这是一项成本极其高昂的工作。因此，我们使用Ansys HFSS工具来缩短研发周期，并将成本保持在合理水平，以便能够提供最佳电气性能。”