芯耀
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嚴(yán)波，RIGOL 首席技術(shù)官(CTO)，中國(guó)高端儀器芯片設(shè)計(jì)專家。主導(dǎo)設(shè)計(jì)并量產(chǎn)了中國(guó)第一款，高速數(shù)字示波器芯片組“鳳凰座”，并定義了測(cè)試儀器的下一代發(fā)展方向。
2020.10.28 普源精電(RIGOL) 2020 新品發(fā)布會(huì)暨行業(yè)論壇
01PART 工程師的需求
大家上午好，我是 RIGOL StationMAX 成員，嚴(yán)波，接下來(lái)由我給大家分享最新的項(xiàng)目成果。首先我們來(lái)看一張圖，這是一個(gè)很典型的，由多臺(tái)測(cè)試測(cè)量?jī)x器組成的系統(tǒng)。
圖 1 多臺(tái)儀器測(cè)試系統(tǒng)
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這個(gè)系統(tǒng)有幾個(gè)特點(diǎn)：
第一個(gè)特點(diǎn)，由多臺(tái)儀器組成，這些儀器彼此連接傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的組成非常復(fù)雜；
第二個(gè)特點(diǎn)，貴！現(xiàn)在這個(gè)圖上的所有的設(shè)備市場(chǎng)價(jià)值相加，在百萬(wàn)元人民幣以上。為什么會(huì)這樣呢？我們所熟悉的測(cè)試測(cè)量?jī)x器產(chǎn)品，如數(shù)字示波器、信號(hào)發(fā)生器、任意波形發(fā)生器和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等，功能比較固定，專用化，價(jià)格昂貴。當(dāng)我們需要組建一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，需要針對(duì)每個(gè)測(cè)量應(yīng)用來(lái)選擇測(cè)量設(shè)備，每增加一個(gè)應(yīng)用，就要增加一筆額外的投資。這樣造成了什么問(wèn)題呢？我們?cè)O(shè)備的投入產(chǎn)出比，比較低。
為了組合這些不同的儀器，就需要很多專業(yè)的知識(shí)。我們應(yīng)該如何選擇設(shè)備？不同廠家的設(shè)備如何互聯(lián)？這些問(wèn)題，讓測(cè)試系統(tǒng)搭建非常復(fù)雜。
我們?cè)谒伎家粋€(gè)問(wèn)題，如何簡(jiǎn)化測(cè)試系統(tǒng)的搭建？能不能做一個(gè)，更加一體化的系統(tǒng)，解決工程師在測(cè)試中遇到的問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)思考，我們考察了一些典型的測(cè)試場(chǎng)景，一個(gè)通常的測(cè)試應(yīng)用中，應(yīng)該包含哪些測(cè)試條件和測(cè)試方法。
以一個(gè)高速串行測(cè)試系統(tǒng)為例，通常需要包含以下幾個(gè)部分：發(fā)射機(jī)，接收機(jī)，以及連接發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的傳輸電纜。在測(cè)試發(fā)射機(jī)的時(shí)，我們需要使用示波器對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行眼圖、抖動(dòng)分析，以及協(xié)議解密；在測(cè)試接收機(jī)的時(shí)，我們需要給接收機(jī)注入一個(gè)可變的信號(hào)，可以采用任意波形發(fā)生器，在測(cè)試過(guò)程中，可能增加干擾、抖動(dòng)來(lái)進(jìn)行壓力測(cè)試。總之，一個(gè)典型的收發(fā)一體+信道測(cè)試的測(cè)試系統(tǒng)，需要具備以下幾個(gè)功能：接收機(jī)用來(lái)測(cè)試發(fā)射端，發(fā)射機(jī)用來(lái)測(cè)試接收端，網(wǎng)絡(luò)分析 / 阻抗測(cè)試用來(lái)測(cè)試信號(hào)傳輸鏈路。
圖 2 典型串行信道和信號(hào)測(cè)試
如何解決問(wèn)題 02PART
通過(guò)這些思考和總結(jié)，我們提出了自己的一個(gè)構(gòu)想，來(lái)解決最開(kāi)始的問(wèn)題。我們覺(jué)得全新的產(chǎn)品應(yīng)該是，一個(gè)收發(fā)一體化的平臺(tái)；另外，它的功能不應(yīng)該是由硬件來(lái)決定，而是由軟件來(lái)決定；最好，它的操作上，不要像類(lèi)似于虛擬儀器，買(mǎi)回來(lái)還需要編程，我們希望買(mǎi)回來(lái)上電即用。
圖 3 我們的構(gòu)想
具體這個(gè)產(chǎn)品應(yīng)該做成什么樣？我們也參考了電子產(chǎn)品發(fā)展歷程，來(lái)尋找靈感。如下圖所示，這是個(gè)人無(wú)線通訊產(chǎn)品的發(fā)展歷程。最開(kāi)始是模擬手機(jī)，功能非常單一，只能打電話。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和數(shù)字蜂窩技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了 GSM 手機(jī)。在功能手機(jī)時(shí)代，大家可能還有印象，滿大街都是這樣的功能手機(jī)，在手機(jī)上的疊加了各種功能：MP3、彩鈴、拍照等等。走到賣(mài)手機(jī)的店里面，選擇困難癥就犯了。直到有一天，智能手機(jī)誕生了，這個(gè)繁榮的 2G 功能手機(jī)市場(chǎng)，瞬間歸于平靜。原來(lái)有無(wú)數(shù)的功能手機(jī)廠商，在這個(gè)市場(chǎng)上非常的熱鬧，到了智能手機(jī)時(shí)代，手機(jī)廠商越來(lái)越少。為什么呢？因?yàn)橹悄苁謾C(jī)它提供了一個(gè)硬件平臺(tái)，而功能是由軟件定義的。
圖 4 電子產(chǎn)品的發(fā)展歷程
我們看到，這也許，將是我們儀器發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。我們?cè)賮?lái)看一下，儀器行業(yè)的發(fā)展過(guò)程。在 1940 年代及之前，大部分儀器都是使用電子管，它的功能非常單一，被測(cè)信號(hào)以發(fā)光的形式，將信號(hào)的狀態(tài)呈現(xiàn)給使用者，它無(wú)法完成多臺(tái)儀器的互通。而這個(gè)信息收集過(guò)程，就需要實(shí)驗(yàn)員來(lái)完成了，這樣非常低效。到了 1960 年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了通過(guò)計(jì)算機(jī)通信接口互聯(lián)的多臺(tái)儀器系統(tǒng)。后來(lái)，技術(shù)進(jìn)一步進(jìn)步，到了 1980 年代，出現(xiàn)了模塊化儀器系統(tǒng)，它提供了更好的自動(dòng)化測(cè)試能力。另外，模塊化儀器是由板卡組成的，可以通過(guò)組合不同的板卡來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能。在這個(gè)發(fā)展過(guò)程中，我們看到了儀器的發(fā)展趨勢(shì)，是逐步地由單一功能 ->到組合功能 ->再到一體化功能，這么一個(gè)趨勢(shì)。
圖 5 儀器行業(yè)發(fā)展歷程
03PART 如何構(gòu)建第四代儀器
根據(jù)上面的多次思考，我們也構(gòu)想了，應(yīng)該做成什么樣。首先，第四代儀器應(yīng)該是由功能非常強(qiáng)大的收發(fā)通道組成的儀器，在組合過(guò)程中，需要將 2 個(gè)通道形成互相協(xié)調(diào)的特性。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)互相協(xié)調(diào)特性，就需要有一個(gè)非常高的內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸和處理能力。我們計(jì)算過(guò)，要實(shí)現(xiàn) 4G 帶寬的系統(tǒng)話，至少需要 440Gbps 的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力。最重要的一點(diǎn)，它的功能，不應(yīng)該是由硬件決定，而應(yīng)該是像智能手機(jī)一樣，通過(guò)安裝 APP，由軟件來(lái)決定它的功能。
而作為一臺(tái)儀器，它的信息樣本需要包含兩項(xiàng)關(guān)鍵信息：1、信號(hào)的幅度；2、信號(hào)的時(shí)間。過(guò)往單通道的儀器，時(shí)間精度比較容易保證。但是在復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)，就存在多個(gè)測(cè)量通道之間時(shí)間的同步關(guān)系，這個(gè)同步關(guān)系只有在一定精度內(nèi)，整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和配合才能達(dá)到一定的使用性。在我們調(diào)研過(guò)程中，一般認(rèn)為多個(gè)時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)間同步性需要達(dá)到 10ps，才能滿足需求。
圖 6 應(yīng)該做成什么樣
做了這么多的概念預(yù)研，說(shuō)干就干，這就是 RIGOL 的特點(diǎn)，敢想！能干！
當(dāng)我們需要有計(jì)劃、有步驟地實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，我們經(jīng)過(guò)了 10 年的 ASIC 技術(shù)積累，突破了寬帶信息采樣的關(guān)鍵芯片技術(shù)。為了能將收發(fā)系統(tǒng)有機(jī)地集到一起，我們?cè)诜桨复蚰シ矫?，完?10 個(gè)以上方案的討論、改進(jìn)和驗(yàn)證。剛才也提到了很多關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)，這些技術(shù)包括：寬帶采樣、高速信號(hào)合成，以及多路信號(hào)之間的精確度同步。在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，我們至少有 10 個(gè)以上關(guān)鍵技術(shù)的突破，這些技術(shù)融合成一款新的儀器，我們認(rèn)為它應(yīng)該是儀器發(fā)展過(guò)程中，有自己地位的一款產(chǎn)品。
圖 7 如何做到
從 1940 年代及之前的第一代儀器，到 1960 年代第二代組合儀器，再到 1980 年代第三代模塊化的軟件定義儀器，現(xiàn)在，2020 年，第四代儀器應(yīng)該是什么樣的？
圖 8 儀器系統(tǒng)將如何再次演進(jìn)
請(qǐng)看大屏幕，第四代儀器，一體化軟件可定義儀器！打破傳統(tǒng)儀器功能固定、測(cè)試系統(tǒng)組合復(fù)雜的局限性，實(shí)現(xiàn)了由不同“App”軟件來(lái)定義儀器功能的新突破。
圖 9 第四代儀器
Max70000 系列時(shí)域工作站，業(yè)界首臺(tái)一體化軟件可定義時(shí)域工作站。在單臺(tái)儀器上，通過(guò)收發(fā)通道的互相組合，能夠同時(shí)進(jìn)行發(fā)送、接收以及阻抗的測(cè)量，單臺(tái)儀器即可作為一個(gè)完整的測(cè)試系統(tǒng)。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
圖 10 Max70000 系列時(shí)域工作站
Max70000 系列時(shí)域工作站是基于全新的 StationMax?硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的。我們來(lái)看一下 StationMax?硬件平臺(tái)是如何運(yùn)作的。
該平臺(tái)包含兩個(gè)部分：1、基礎(chǔ)硬件層，這個(gè)基礎(chǔ)硬件層包含：寬帶接收機(jī)、寬帶發(fā)射機(jī)、寬帶收發(fā)間的信號(hào)處理和傳輸能力、強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能、一個(gè) 6 核 64 位的處理器確保軟件的順暢運(yùn)行。2、在這個(gè)基礎(chǔ)硬件層之上，是它的第二部分，我們構(gòu)建了一個(gè)可重構(gòu)的硬件層，它用來(lái)實(shí)時(shí)處理收發(fā)兩個(gè)系統(tǒng)所產(chǎn)生的信息，目前已經(jīng)集成了 SiFi III、UltraVision III、UltraReal 這三種關(guān)鍵技術(shù)，未來(lái)將會(huì)有更多技術(shù)集成進(jìn)來(lái)。
強(qiáng)大的硬件平臺(tái)為我們提供了基礎(chǔ)，我們想通過(guò) APP 的方式改變儀器的功能，實(shí)現(xiàn)客戶不同的應(yīng)用需求。為了方便這個(gè)過(guò)程，我們?cè)黾恿碎_(kāi)放式 API 架構(gòu)，在開(kāi)放式 API 架構(gòu)之上，才是我們的測(cè)量應(yīng)用軟件。它既可以是一臺(tái)示波器、也可以是信號(hào)源，還可以是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等等。
圖 11 StationMax?硬件平臺(tái)
我們可以想象一下，當(dāng)擁有了 4G 帶寬的接收機(jī)、5G 帶寬的發(fā)射機(jī)、以及 440 Gbps 以上強(qiáng)大的運(yùn)算能力，它還能幫助我們做些什么？這個(gè)問(wèn)題，需要我們進(jìn)一步探索，就像第一代智能手機(jī)誕生后，應(yīng)用也開(kāi)始了劇烈的爆發(fā)。我們儀器也將進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。
最后，讓我們來(lái)一起看一下 StationMax?硬件平臺(tái)的參數(shù)，基礎(chǔ)硬件性能部分，我們有 4 個(gè)接收通道、4 個(gè)發(fā)射通道、接收通道的帶寬可達(dá) 4G、發(fā)射通道的帶寬可達(dá) 5G、接收通道的采樣率可達(dá) 20 GSa/s。而且，在幅度測(cè)量方面，它的精度可變，8-16bit 垂直分辨率可變，能實(shí)現(xiàn)高精度、高速的采樣。而他的信號(hào)合成分辨率達(dá)到了 16bit，即使在非常寬的帶寬內(nèi)，都能產(chǎn)生非常精細(xì)的信號(hào)?？芍貥?gòu)硬件性能部分，我們提供了 2000GMAC/s 和 440 Gbps 內(nèi)部互聯(lián)帶寬。
圖 12 StationMax?硬件平臺(tái)的參數(shù)
隨著第四代儀器的誕生，“XX 測(cè)試儀器”可能成為歷史，就像我們買(mǎi)手機(jī)一樣，我們不會(huì)問(wèn)你的手機(jī)有什么功能，大家都知道它是一臺(tái)智能手機(jī)。未來(lái)，我們買(mǎi)儀器也不會(huì)問(wèn)，它是一臺(tái)示波器，還是一臺(tái) AWG，以及……。它只有一個(gè)名字，“儀器”——軟件可定義儀器！
