Chiplet间高速链路信号完整性仿真：光电混合建模与S参数提取技术

一、引言

随着芯片设计复杂度的提升，Chiplet（芯粒）技术凭借其高良率、低成本和异构集成优势成为行业焦点。然而，Chiplet间通过高密度互连（如硅中介层或再分布层RDL）实现的高速链路，面临信号完整性的严峻挑战。特别是在数据速率达到56Gbps甚至更高的场景下，串扰、反射和损耗等问题尤为突出。本文将探讨光电混合建模与S参数提取技术在Chiplet间高速链路信号完整性仿真中的应用。

二、光电混合建模技术

（一）建模原理

光电混合建模结合了电磁场理论和光子学原理，用于描述Chiplet间高速链路的电信号传输和光信号转换过程。在Chiplet架构中，部分信号可能通过电 - 光转换（E/O）和光 - 电转换（O/E）器件在光域传输，以减少电信号传输中的损耗和串扰。

（二）建模实现

以下是一个简化的光电混合建模Python代码示例，使用Scipy库进行信号处理：

python

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

from scipy.signal import butter, lfilter

# 模拟电信号

def generate_electrical_signal(freq, duration, fs):

   t = np.linspace(0, duration, int(fs * duration), endpoint=False)

   signal = np.sin(2 * np.pi * freq * t)

   return t, signal

# 电 - 光转换（简单模拟）

def electro_optical_conversion(signal):

   # 假设转换效率为0.8

   optical_signal = 0.8 * signal

   return optical_signal

# 光 - 电转换（简单模拟）

def optical_electrical_conversion(optical_signal):

   # 假设转换效率为0.8

   recovered_signal = 0.8 * optical_signal

   return recovered_signal

# 模拟信号传输过程中的滤波（模拟损耗）

def apply_filter(signal, cutoff_freq, fs, order=4):

   nyquist = 0.5 * fs

   normal_cutoff = cutoff_freq / nyquist

   b, a = butter(order, normal_cutoff, btype='low', analog=False)

   filtered_signal = lfilter(b, a, signal)

   return filtered_signal

# 参数设置

freq = 28e9  # 信号频率28GHz

duration = 1e-9  # 信号持续时间1ns

fs = 100e9  # 采样频率100GHz

cutoff_freq = 20e9  # 滤波器截止频率20GHz

# 生成电信号

t, electrical_signal = generate_electrical_signal(freq, duration, fs)

# 电 - 光转换

optical_signal = electro_optical_conversion(electrical_signal)

# 模拟光信号传输过程中的损耗（滤波）

optical_signal_filtered = apply_filter(optical_signal, cutoff_freq, fs)

# 光 - 电转换

recovered_signal = optical_electrical_conversion(optical_signal_filtered)

# 绘图

plt.figure()

plt.plot(t * 1e9, electrical_signal, label='Original Electrical Signal')

plt.plot(t * 1e9, recovered_signal, label='Recovered Electrical Signal')

plt.xlabel('Time (ns)')

plt.ylabel('Amplitude')

plt.legend()

plt.title('Electro - Optical - Electrical Signal Transmission')

plt.show()

该代码模拟了电信号的生成、电 - 光转换、光信号传输（滤波模拟损耗）和光 - 电转换过程，展示了光电混合建模的基本思路。

三、S参数提取技术

（一）S参数定义

S参数（散射参数）是描述线性网络输入输出关系的重要参数，用于表征Chiplet间高速链路的频域特性。通过S参数，可以分析信号的反射、传输和损耗等特性。

（二）S参数提取方法

在仿真过程中，可以使用电磁仿真软件（如HFSS、ADS等）提取Chiplet间高速链路的S参数。以ADS为例，首先建立高速链路的电磁模型，然后进行仿真，仿真结果中会包含S参数数据。以下是一个使用Python读取ADS生成的S参数文件（.s2p）并绘制S21参数的示例代码：

python

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

# 读取S参数文件

def read_s2p(file_path):

   freq = []

   s21 = []

   with open(file_path, 'r') as file:

       lines = file.readlines()

       for line in lines:

           if line.startswith('!') or line.startswith('#'):

               continue

           data = line.split()

           if len(data) >= 3:

               freq.append(float(data[0]))

               s21_real = float(data[1])

               s21_imag = float(data[2])

               s21.append(s21_real + 1j * s21_imag)

   return np.array(freq), np.array(s21)

# 参数设置

file_path = 'example.s2p'  # S参数文件路径

# 读取S参数

freq, s21 = read_s2p(file_path)

# 绘制S21参数

plt.figure()

plt.plot(freq / 1e9, 20 * np.log10(np.abs(s21)))

plt.xlabel('Frequency (GHz)')

plt.ylabel('S21 (dB)')

plt.title('S21 Parameter of Chiplet Interconnect')

plt.grid(True)

plt.show()

该代码读取S参数文件并绘制S21参数的幅度曲线，帮助设计人员分析Chiplet间高速链路的传输特性。

四、结论

光电混合建模与S参数提取技术为Chiplet间高速链路信号完整性仿真提供了有效的解决方案。通过光电混合建模，可以准确描述信号在电 - 光 - 电转换过程中的特性；通过S参数提取技术，可以深入分析链路的频域特性。这些技术有助于设计人员在早期发现信号完整性问题，优化Chiplet间高速链路的设计，提高系统的性能和可靠性。