如今，涉及模擬和數(shù)?；旌想娐返腟oC設(shè)計(jì)日益增多。由于電路規(guī)模增大和復(fù)雜度提高，傳統(tǒng)的SPICE仿真器已不能滿足設(shè)計(jì)需求。而采用電路分割、多速率仿真、改進(jìn)的器件模型等技術(shù)的Fast SPICE仿真器突破了傳統(tǒng)SPICE工具的容量和速度限制。此文主要討論目前復(fù)雜模擬和數(shù)模混合電路仿真面臨的主要挑戰(zhàn)，以及如何用新一代Fast SPICE仿真器加以解決。


對(duì)今天的混合信號(hào)SoC設(shè)計(jì)，往往包括模擬、射頻、數(shù)字、定制數(shù)字和來自不同IP提供商的IP。為實(shí)現(xiàn)完整意義上的芯片級(jí)驗(yàn)證，需要采用SPICE、射頻仿真器、混合信號(hào)仿真器和Fast SPICE等多重仿真器的組合。設(shè)計(jì)者在不同設(shè)計(jì)階段往往需要采用來自不同公司的仿真器，而這些仿真器由于不同的環(huán)境支持和不同的語法格式存在兼容性問題，往往導(dǎo)致誤差和不穩(wěn)定性，并增加額外工作量和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。
圖1：Multi-Mode仿真(MMSIM)解決方案。



為降低用戶在設(shè)計(jì)工具方面的使用難度和工具轉(zhuǎn)換風(fēng)險(xiǎn)，Cadence推出Multi-Mode仿真(MMSIM)解決方案，通過使用統(tǒng)一的用戶接口、器件模型、語法格式、內(nèi)部方程式，極大地提高了數(shù)據(jù)兼容性和仿真結(jié)果可信度。Multi-Mode技術(shù)使設(shè)計(jì)者可在統(tǒng)一的設(shè)計(jì)環(huán)境中，在模擬、射頻、混合信號(hào)、芯片級(jí)電路驗(yàn)證的不同設(shè)計(jì)階段，自由切換Spectre、SpectreRF、AMS Designer和Ultrasim等仿真器，如圖1所示。


本文將著重討論如何應(yīng)用分層的全芯片晶體管級(jí)驗(yàn)證工具—UltraSim，解決目前模擬/混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)中面臨的挑戰(zhàn)。


模擬/混合信號(hào)電路仿真面臨的挑戰(zhàn)


隨著工藝技術(shù)的發(fā)展和競爭的壓力，主流芯片已經(jīng)從10年前的0.5微米發(fā)展到今天的0.13微米乃至90納米。先進(jìn)的工藝可以讓設(shè)計(jì)者把更多、更復(fù)雜的電路模塊集成在同一硅片上，但同時(shí)也對(duì)電路仿真提出了新的挑戰(zhàn)。目前模擬/混合信號(hào)電路仿真面臨的挑戰(zhàn)主要有以下幾個(gè)方面。


1. 急劇增長的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，對(duì)仿真器的容量和速度提出更高的要求；


2. 激烈的市場競爭和不斷爬升的流片費(fèi)用，使如何縮短設(shè)計(jì)周期、提高流片成功率成為芯片設(shè)計(jì)中的主要問題之一；


3. 深亞微米小尺寸效應(yīng)的影響變得更為顯著，如短/窄溝效應(yīng)對(duì)閾值電壓影響、亞閾值電流、體效應(yīng)導(dǎo)致的襯底電流等；


4. 低信號(hào)擺幅設(shè)計(jì)中電路噪聲和交叉耦合效應(yīng)、低電源電壓下信號(hào)線和電源網(wǎng)格的電壓降和電遷移問題等；


5.
圖2：MMSIM中的共享組件。


SoC芯片中電源調(diào)節(jié)器導(dǎo)致電路各模塊間電源耦合增強(qiáng)?；旌闲盘?hào)仿真由于數(shù)字模塊和模擬模塊分開仿真，不能反映此類問題；


6. 對(duì)互連線延遲、信號(hào)串?dāng)_、襯底效應(yīng)、接地噪音(Ground bounce)等物理效應(yīng)的考慮，依賴于精確的后仿真結(jié)果。


上述問題的解決越來越依賴于全芯片晶體管級(jí)電路仿真及后仿真，而傳統(tǒng)晶體管級(jí)SPICE仿真器由于容量和速度的限制，通常只適用于模塊級(jí)電路設(shè)計(jì)，因此Fast SPICE技術(shù)的引入不可避免。


Fast SPICE技術(shù)介紹


為了克服第一代SPICE仿真工具(如Spectre、PSPICE)在仿真容量(約50K)和速度上的缺陷，第二代SPICE技術(shù)即Fast SPICE仿真器采用電路分塊、多速率、簡化模型等加速仿真技術(shù)。


傳統(tǒng)SPICE仿真器將電路作為一個(gè)矩陣，隨著電路規(guī)模的增加，矩陣的求解速度顯著下降。Fast SPICE把相關(guān)的電路模塊放在一起，將大矩陣分成許多小矩陣，減小計(jì)算量。此外，事件驅(qū)動(dòng)技術(shù)可忽略不活動(dòng)的電路，進(jìn)一步降低運(yùn)算量。


電路分塊的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可采用多速率仿真。各個(gè)電路模塊往往存在不同的工作頻率，因此仿真中不同的電路塊可以采用不同的仿真步長。這樣，既可以保證高頻率的電路得到精確結(jié)果，又讓低頻率的模塊避免重復(fù)計(jì)算，降低CPU負(fù)荷。


簡化模型技術(shù)是Fast SPICE加速的另一項(xiàng)重要技術(shù)。在傳統(tǒng)電路仿真中，MOSFET或BJT需要一組復(fù)雜的公式進(jìn)行計(jì)算，常常耗費(fèi)大量的CPU時(shí)間。而Fast SPICE在仿真開始時(shí)先產(chǎn)生模型表格，然后進(jìn)行查表，從而節(jié)省大量的時(shí)間。Fast SPICE通過多層次簡化的模型，可以滿足不同的精度和速度要求。


使用UltraSim進(jìn)行模擬/數(shù)模混合電路仿真
圖3：布局后仿真流程和RC縫合技術(shù)。



Virtuoso UltraSim Simulator作為新一代Fast SPICE仿真器，引入了分層化同型仿真、動(dòng)態(tài)電路分割等技術(shù)，對(duì)電路中的相同子模塊只需計(jì)算其中一個(gè)，避免重復(fù)計(jì)算，從而進(jìn)一步提升仿真容量和速度；提供與傳統(tǒng)SPICE的完全兼容以及和SPICE類似的仿真精度；簡潔的選項(xiàng)使設(shè)計(jì)者可以方便地定制電路仿真；改進(jìn)的RC減小技術(shù)使之可以進(jìn)行精確、快速的后仿真。此外，UltraSim已完全集成于Cadence標(biāo)準(zhǔn)模擬設(shè)計(jì)流程之中。這些優(yōu)點(diǎn)使UltraSim成為目前業(yè)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的Fast SPICE工具之一。


1. 精確模型支持


硅精確的器件模型從來都是得到準(zhǔn)確的電路仿真和物理效應(yīng)分析的關(guān)鍵。通過與業(yè)內(nèi)公認(rèn)的先進(jìn)器件模型提取工具BSIMPro+共享所有的模型和公式，UltraSim不僅擁有強(qiáng)大的器件模型支持能力，而且還可確保獲得硅精確的仿真結(jié)果。


2. 本征兼容性


Cadence MMSIM中的各種仿真器(包含Spectre、SpectreRF、AMS Designer和UltraSim)都通過CMI讀入器件模型，并使用相同的VerilogA引擎，消除了因?yàn)榉抡嫫鞑患嫒輲淼牟粶?zhǔn)確性和不穩(wěn)定性(如圖2所示)。此外，作為混合信號(hào)仿真器，UltraSim支持Spectre、結(jié)構(gòu)化Verilog和多種SPICE網(wǎng)表；支持所有標(biāo)準(zhǔn)模型和描述特定電路的模型單元(如閃存宏模型)、行為描述語言VerilogA和SpectreHDL；支持VCD/EVCD/VEC；支持傳統(tǒng)SPICE的后處理方式(如.measure，多種波形文件格式等)。


3. 強(qiáng)大的后仿真能力


因?yàn)橐氪罅考纳?a target="_blank">電阻電容(RC)，后仿真更富有挑戰(zhàn)性。UltraSim采用專用的RC減小技術(shù)可有效減小RC數(shù)目(可達(dá)90％)，且將精度損失控制在1％～3％以內(nèi)。與傳統(tǒng)的RC減少技術(shù)相比，UltraSim專利算法在保證精度的同時(shí)能更顯著地減小仿真時(shí)間和內(nèi)存消耗。UltraSim采用的RC減小技術(shù)并不是簡單過濾小電容或小電阻，而是用簡化的等效RC網(wǎng)絡(luò)代替原來復(fù)雜的RC網(wǎng)絡(luò)，并可根據(jù)信號(hào)頻率自動(dòng)調(diào)整RC的簡化程度。
表1：Spectre和UltraSim的∑-Δ ADC仿真結(jié)果對(duì)比。



UltraSim支持所有標(biāo)準(zhǔn)的后版圖網(wǎng)表格式，如SPICE網(wǎng)表、Extracted View、扁平或分層化的DSPF或SPEF網(wǎng)表、DPF以及節(jié)點(diǎn)電容網(wǎng)表等；并支持目前業(yè)內(nèi)多種后仿真流程。此外，UltraSim的RC縫合技術(shù)可以選擇性地把寄生RC加到指定的電路模塊上(如圖3)，使設(shè)計(jì)者可以靈活地定制其電路仿真流程，例如對(duì)某些數(shù)字模塊采用行為級(jí)模型，某些重要的模擬模塊采用帶寄生參數(shù)的網(wǎng)表。UltraSim提供postl選項(xiàng)設(shè)置RC減小的簡化程度，它可以自動(dòng)調(diào)整所有相關(guān)RC壓縮參數(shù)。有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者也可以根據(jù)需要自由調(diào)整各個(gè)參數(shù)。


4. 仿真易用性


模擬/數(shù)?；旌想娐返姆抡婢热Q于模型精度和仿真器容差。設(shè)計(jì)者在使用UltraSim時(shí)，一般只需設(shè)置仿真模式和速度來優(yōu)化仿真，到達(dá)良好的精度和速度匹配。當(dāng)然，有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者可以依據(jù)對(duì)其設(shè)計(jì)本身和Fast SPICE技術(shù)的了解來調(diào)整各個(gè)選項(xiàng)，進(jìn)一步提高仿真性能。


UltraSim已完全集成于Cadence標(biāo)準(zhǔn)的全定制設(shè)計(jì)流程中。用戶可以在ADE中方便地切換Spectre、UltraSim和AMS Designer等不同的仿真器，完成從模塊級(jí)電路到全芯片的仿真與調(diào)試。在ADE界面下，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)需要產(chǎn)生Spectre或標(biāo)準(zhǔn)SPICE網(wǎng)表，并以圖形化方式快速設(shè)置仿真模式和速度等選項(xiàng)，獲得良好的精度和速度匹配。此外，ADE也為UltraSim的時(shí)序、功耗、可靠性分析提供友好界面。


5. 電源網(wǎng)絡(luò)分析、設(shè)計(jì)檢查及其它


對(duì)于包含電源網(wǎng)絡(luò)的電路，電阻網(wǎng)絡(luò)的存在會(huì)降低仿真速度。為此，UltraSim推出了UPS方案，通過把電源電阻網(wǎng)絡(luò)和其它電路分離，由UPS和UltraSim協(xié)同仿真。因此，在得到3-5倍加速仿真的同時(shí)，仍能得到精確的IR壓降分析報(bào)告。


為了發(fā)現(xiàn)和修改設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，UltraSim提供多種設(shè)計(jì)檢查功能，包括過載電流檢查、電壓越界檢查、高阻結(jié)點(diǎn)檢查、DC漏電流路徑檢查等。Ultrasim的時(shí)序分析工具可以幫助設(shè)計(jì)者來檢測轉(zhuǎn)換時(shí)間、建立時(shí)間、保持時(shí)間或者脈沖寬度上的錯(cuò)誤，而功耗分析工具可以報(bào)告指定時(shí)間、指定子電路端口上的電流和功耗。

對(duì)于高頻電路，Ultrasim提供了Fast Envelope仿真等。


仿真實(shí)例


下面部分通過兩個(gè)典型實(shí)例說明如何用UltraSim仿真模擬/數(shù)?；旌想娐贰?


1. ∑-Δ ADC


相對(duì)于Nyquist采樣ADC，過采樣ADC包含的模擬器件數(shù)目較少，但由于過采樣率很高，往往需要較長的瞬態(tài)仿真時(shí)間。本實(shí)例為某∑-ΔADC的后仿真。該電路內(nèi)部最高時(shí)鐘頻率為450MHz，包含1個(gè)VerilogA模塊、瞬態(tài)分析時(shí)間為20us，F(xiàn)FT分析采樣點(diǎn)4,751。表1為Spectre和UltraSim的仿真結(jié)果對(duì)比。
表2 ：RC減小前后器件統(tǒng)計(jì)。



這里仿真選項(xiàng)設(shè)為sim_mode=MS(模擬/數(shù)?；旌想娐返娜帜Ｊ揭话悴捎媚J(rèn)的MS模式)、speed＝1(定義仿真器的容差，相當(dāng)于Spectre的Moderate模式)。


為保證仿真精度，后仿真使用了默認(rèn)值(postl=1)，即較保守的RC減小技術(shù)。從表2中可以看到，RC減小后，電容的數(shù)量從60.7K減小到1.3K，其中耦合電容數(shù)僅為529。由于采用層次化和同構(gòu)技術(shù)，juncap的數(shù)量從27K減小到2.11K。最終，UltraSim獲得11倍的速度提高。


2. RF PLL


本實(shí)例為一用于無線通訊的PLL，其前仿真網(wǎng)表包含31K MOSFET、600BJT、75K二極管和大約1.5K R/C。參考時(shí)鐘頻率為33MHz，LC型VCO頻率為3.9GHz。UltraSim參考設(shè)置為：


.usim_opt sim_mode=ms speed=5 analog=3

.usim_opt speed=4 method=gear2 IPLL.VCO

.usim_opt sim_mode=df IPLL.LOGIC


這里，我們采用了MS仿真模式，其中analog=3使UltraSim在電路劃分時(shí)考慮更大的反饋回路以保證精度；speed=4, method=gear2局部地加于VCO模塊(通常RF VCO需要使用gear或trap收斂算法以及更小的容差)。數(shù)字模塊采用了df模式，即用簡化的數(shù)字表格模型來進(jìn)一步提高速度。UltraSim僅用了19小時(shí)就完成25us瞬態(tài)仿真，甚至超過設(shè)計(jì)者的期望值。