混合信號設(shè)計

就在不久前，市場上的絕大多數(shù)IC從本質(zhì)上說，不是純數(shù)字電路就是純模擬電路。而如今，為了滿足成本、尺寸、重量和功耗等方面的要求，復(fù)雜的模擬和數(shù)字功能組合出現(xiàn)在了“混合信號”器件上。

雖然傳統(tǒng)的模擬設(shè)計和驗證工具經(jīng)過多年發(fā)展已經(jīng)在容量和性能上取得了很大進步，但是它們的基本架構(gòu)在很大程度上卻仍然是基于上世紀90年代中期的技術(shù)。數(shù)字工具目前已經(jīng)發(fā)展到能夠提供高度自動化的水平，從而極大提高了設(shè)計者的產(chǎn)能。與其不同，模擬工具所支持的自動化水平極低，而模擬設(shè)計工作也仍然在很大程度上依賴手工作業(yè)，整個過程耗時且容易出錯。

大約在上世紀60年代初，也就是數(shù)字集成電路設(shè)計的早期，工程師用鋼筆在紙和蠟紙(偶然還會用到餐廳的桌布)上繪制原理圖。原理圖上顯示了用于實現(xiàn)設(shè)計的邏輯門和功能符號，以及它們之間的連線。

同樣地，那些用來形成晶體管邏輯門的結(jié)構(gòu)和互連，也是手工繪制的。這些由很多組簡單多邊形組成的繪圖，后來被用于制造光掩膜，又被用來制造實際的硅片。

數(shù)字設(shè)計自動化首先出現(xiàn)在上世紀70年代的早期到中期，涉及到門級電路原理圖輸入(schematic capture)、事件驅(qū)動型仿真，以及自動布局布線。在80年代后期和90年代初期，設(shè)計師開始轉(zhuǎn)向更高的抽象層。邏輯綜合技術(shù)已經(jīng)可以用來將寄存器傳輸級(RTL)描述轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的門級網(wǎng)表。這樣不僅提高了設(shè)計師的產(chǎn)能，將RTL和邏輯綜合進行結(jié)合也使得數(shù)字設(shè)計很容易向新的代工廠或工藝節(jié)點移植。

最近推出的一些工具，如Magma的Talus環(huán)境，可以在自動實現(xiàn)一個數(shù)字設(shè)計，從RTL到出帶僅需兩天甚至更短時間，而且不管這個數(shù)字設(shè)計的規(guī)模有多大。

模擬工具

在模擬系統(tǒng)設(shè)計發(fā)展的早期，電路同樣是利用手工繪制的。設(shè)計人員利用鋼筆和紙繪制晶體管級電路圖。對于那些由分立(單個封裝)器件，如晶體管、電阻、電容和電感組成的設(shè)計，設(shè)計人員通常需要構(gòu)建該設(shè)計的物理原型，將其放在測試工作臺上，通過測量實際數(shù)據(jù)來確定該電路性能的好壞;然后，再通過調(diào)整元器件值、增加或刪除所需要的元器件來達到理想效果。

然而對IC設(shè)計來說，重新流片非常昂貴。因此，在上世紀60年代末到70年代初，許多大學和商業(yè)公司著手開發(fā)模擬仿真器。該項目可以幫助學生和工程師在無需首先搭建實際模擬電路的情況下，就可以仿真模擬電路的運行。SPICE或許是早期最有名的仿真器，它由加州大學伯克利分校開發(fā)而成，從上世紀70年代起就得到了廣泛使用。

經(jīng)過多年發(fā)展，模擬仿真無論在基礎(chǔ)模型和算法的成熟性，還是仿真引擎的容量和性能方面，都取得了長足發(fā)展。但即便如此，目前大多數(shù)模擬工具還是停留在上世紀90年代中早期的水平。它們所采用的基礎(chǔ)架構(gòu)，已經(jīng)無法滿足混合信號設(shè)計環(huán)境的復(fù)雜要求。

也許更重要的是，目前的模擬設(shè)計和驗證工具從本質(zhì)上還僅僅局限于捕獲和仿真晶體管級原理圖。迄今為止，它們在自動化方面所取得的成功相當有限，而且將現(xiàn)有設(shè)計向新代工廠或技術(shù)節(jié)點進行有效轉(zhuǎn)移，則需要從頭開始重新實現(xiàn)整個電路。

真正的混合電路

首先也是最為重要的，在一個真正的混合信號環(huán)境中，所有的模擬/數(shù)字設(shè)計以及驗證引擎，應(yīng)該采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫。為了滿足當前高端混合信號設(shè)計的要求，這種解決方案很明顯必須提供極高的容量和性能，例如在一分鐘甚至更短時間內(nèi)加載整個數(shù)據(jù)庫、在數(shù)秒內(nèi)完成全部模擬和數(shù)字層的刷新等。在全芯片層，設(shè)計環(huán)境必須在芯片完成階段支持自動全局布線;此外，系統(tǒng)還必須支持全芯片混合信號提取和仿真。

其次，必須進一步增強模擬設(shè)計工具性能，使之提供與數(shù)字設(shè)計工具相同的自動化水平和產(chǎn)能。例如，在高層抽象級詳細說明模擬功能，然后將這種說明自動綜合為相當于晶體管級的電路，再執(zhí)行模擬微調(diào)和優(yōu)化。最后，還必須自動實現(xiàn)模擬設(shè)計從一個工藝節(jié)點向另一個節(jié)點，以及從一個代工廠到另一個代工廠的自動轉(zhuǎn)移。

在具備及時快速設(shè)計大型且復(fù)雜的混合信號器件能力方面，我們即將面臨重大轉(zhuǎn)折。先進的混合信號芯片設(shè)計師們需要這些能力，而且表現(xiàn)的非常迫切。

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