基于ADMS平臺(tái)的加速混合信號(hào)集成電路設(shè)計(jì)

越來(lái)越多的設(shè)計(jì)正向混合信號(hào)發(fā)展，IBS公司預(yù)測(cè)顯示，到2006年所有集成電路設(shè)計(jì)中有73%將為混合信號(hào)設(shè)計(jì)。目前混合信號(hào)技術(shù)成為EDA業(yè)內(nèi)最為熱門(mén)的話題。深亞微米及納米技術(shù)的發(fā)展促使芯片設(shè)計(jì)與制造由單個(gè)IC、ASIC向SoC轉(zhuǎn)變，現(xiàn)在SoC也由數(shù)字SoC全面轉(zhuǎn)向混合SoC，成為真正意義上的系統(tǒng)級(jí)芯片。混合信號(hào)設(shè)計(jì)可以減少成本，減小電路外形尺寸，并提供更好的功能。

芯片驗(yàn)證占芯片設(shè)計(jì)50%到70%的工作量，大量的人力、硬件以及時(shí)間資源都消耗在驗(yàn)證上。隨著芯片復(fù)雜度上升，驗(yàn)證工作無(wú)論從復(fù)雜性或工作量上都在呈指數(shù)上升。因此，驗(yàn)證技術(shù)是混合信號(hào)技術(shù)的關(guān)鍵所在。

人們很難明確區(qū)分具備少許數(shù)字功能的模擬芯片或能夠?qū)崿F(xiàn)某些模擬功能的數(shù)字芯片與混合信號(hào)芯片的區(qū)別。即使在工藝上，模擬芯片也越來(lái)越多采用CMOS工藝取代傳統(tǒng)的BiCMOS工藝。混合信號(hào)集成電路的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是它在數(shù)字和模擬方面都具備重要功能，而不簡(jiǎn)單的是在數(shù)字芯片中嵌有一些模擬電路或者模擬芯片中嵌入一些數(shù)字電路。

對(duì)于中國(guó)的集成電路設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，混合信號(hào)設(shè)計(jì)的概念雖然早已有之，但真正使用混合信號(hào)設(shè)計(jì)的技術(shù)并不多，大多只是采用傳統(tǒng)的方法，比如數(shù)字部分用HDL寫(xiě)好，然后進(jìn)行仿真、綜合、布局布線；模擬部分畫(huà)出電路圖，用Spice仿真在進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)；最后將兩部分拼接在一起。而真正的混合信號(hào)設(shè)計(jì)需要結(jié)合數(shù)字和模擬，作整體上的考慮以及驗(yàn)證，需要更靈活的設(shè)計(jì)思路。

混合信號(hào)SoC設(shè)計(jì)面臨這樣的挑戰(zhàn)：行為級(jí)的數(shù)字與晶體管級(jí)的模擬的混合、HDL語(yǔ)言驅(qū)動(dòng)的數(shù)字與原理圖驅(qū)動(dòng)的模擬的混合、自上而下的數(shù)字與自下而上的模擬的混合。它不再是傳統(tǒng)的數(shù)字設(shè)計(jì)或者傳統(tǒng)的模擬設(shè)計(jì)，也不是數(shù)字設(shè)計(jì)與模擬設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單疊加，混合信號(hào)設(shè)計(jì)提出了新的設(shè)計(jì)概念，必須使用全新的設(shè)計(jì)流程。

ADMS解決方案

EDA公司已充分意識(shí)到這一技術(shù)需求，領(lǐng)先的三大供應(yīng)商——Mentor Graphics、Synopsys和Cadence在幾年前就開(kāi)始整合或研發(fā)模擬和混合信號(hào)工具和技術(shù)。下面我們以Mentor Graphics的混合驗(yàn)證平臺(tái)Advance MS(ADMS)為例說(shuō)明它是如何解決混合信號(hào)設(shè)計(jì)難題的。

在了解ADMS之前，我們先來(lái)看看與ADMS相關(guān)的幾個(gè)EDA設(shè)計(jì)工具。

1. HDL仿真工具M(jìn)odelSim

ModelSim是目前最流行的數(shù)字仿真器，早已被中國(guó)用戶所熟悉，其成熟技術(shù)眾所周知，這里不作具體介紹。

2. SPICE仿真工具Eldo

模擬電路設(shè)計(jì)最重要的部分即在電路仿真部分。SPICE的全稱為Simulation Program on IC Emphasis，由美國(guó)加州大學(xué)伯克萊分校創(chuàng)建于上世紀(jì)70年代，從此成為電路仿真的經(jīng)典方法，現(xiàn)在的電路仿真基本上都采用SPICE方法。SPICE程序是公開(kāi)源碼的，現(xiàn)在流行的各種版本SPICE都是由UCB SPICE衍生而來(lái)。HSPICE開(kāi)發(fā)于1981年，是第一個(gè)成功的商用SPICE。Eldo則是最近幾年的SPICE新星，其研發(fā)組位于法國(guó)，在歐洲，基本上設(shè)計(jì)中使用的SPICE都是Eldo，最近Eldo也開(kāi)始在北美及亞洲地區(qū)推廣。

評(píng)價(jià)一個(gè)仿真器可以從準(zhǔn)確度、速度、容量、收斂性、控制界面、功能以及工藝廠商的支持等方面進(jìn)行。

第一，準(zhǔn)確度。Eldo通過(guò)基爾霍夫電流約束進(jìn)行全局檢查，對(duì)收斂嚴(yán)格控制，保證了精度。Eldo在傳統(tǒng)SPICE使用的牛頓－拉普森(即NR)算法外，增加了OSR和IEM算法，新算法使得Eldo比傳統(tǒng)SPICE更為精確。

第二，速度。Eldo使用的新算法還增加了仿真速度，仿真速度達(dá)到一般SPICE的3到10倍。Eldo還可以對(duì)不同的電路子模塊采用不同的算法，比如對(duì)數(shù)字電路模塊采用速度快得多的OSR算法，大大提升了速度。尤其值得一提的是，Eldo本身還支持行為級(jí)的描述。從這個(gè)意義上看，Eldo不僅僅是一個(gè)SPICE，還是一個(gè)混合仿真器。

第三，容量。Eldo可以仿真大規(guī)模的電路，最大可以達(dá)到30萬(wàn)個(gè)晶體管。

第四，收斂性。在收斂性上，Eldo采用了先進(jìn)的技術(shù)如DC convergence引入的分割概念(在不收斂時(shí)對(duì)電路自動(dòng)進(jìn)行分割再組合，更改了Matrix)，提升了收斂性。

第五，控制界面。Eldo的使用相當(dāng)簡(jiǎn)單。Eldo可以單獨(dú)使用(即命令行方式)，也可以集成到電路圖編輯工具環(huán)境中，如Mentor Graphics的DA IC或者Cadence的Schematics Composer中。Eldo的輸入文件格式可以是標(biāo)準(zhǔn)的SPICE，也可以是HSPICE的格式。事實(shí)上，HSPICE的輸入文件，包括網(wǎng)表、控制語(yǔ)句、庫(kù)文件，不需要經(jīng)過(guò)任何修改，即可由Eldo進(jìn)行仿真。此外關(guān)于控制界面，Eldo還具有一個(gè)Shell，通過(guò)這個(gè)Shell，用戶可以中斷正在進(jìn)行中的仿真，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，調(diào)整仿真條件或參數(shù)設(shè)置，與Eldo進(jìn)行互動(dòng)。這樣解決了仿真一旦運(yùn)行就不能進(jìn)行任何控制的問(wèn)題。

第六，功能。除了提供其它SPICE幾乎全部的功能外，Eldo本身?yè)碛凶约邯?dú)特的功能。Eldo擁有全面的分析功能，還可以進(jìn)行各種參數(shù)的掃描。Eldo還可以進(jìn)行RC Reduction、保存與續(xù)仿真等等功能。

第七，工藝廠商支持。電路仿真離不開(kāi)具體工藝線的實(shí)際情況，SPICE程序必須得到工藝廠商的支持。目前世界上大多數(shù)代工廠商都開(kāi)始支持Eldo，如臺(tái)積電、臺(tái)聯(lián)電、特許半導(dǎo)體、ST等。用戶還可以使用自己定義的Model。此外，由于Eldo對(duì)HSPICE完全兼容，甚至到Model，Eldo用戶完全可以采用代工廠商提供的HSPICE的模型。