"模擬-綜合"涵蓋了幾種旨在提高工程師設(shè)計(jì)模擬電路效率的方法。
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現(xiàn)在，半導(dǎo)體制造工藝的進(jìn)步已使晶體管的尺寸縮小到極小，因此設(shè)計(jì)師必須考慮到設(shè)計(jì)的物理特性問題。物理綜合工具是對邏輯綜合的一種補(bǔ)充，物理綜合工具允許設(shè)計(jì)師規(guī)定電氣和物理參數(shù)，以指導(dǎo)布局布線工具。這些工具使用起來要比邏輯綜合工具困難，原因是它們需要有關(guān)電氣寄生效應(yīng)和制造工藝方面的知識才能提供所需的指令。工具遵循設(shè)計(jì)師的指令工作，并在生成和調(diào)整實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的邏輯門序列時(shí)考慮到物理隱含義。大多數(shù)線寬為 180 納米及180納米以下的設(shè)計(jì)均要求采用物理綜合。物理綜合應(yīng)用上的復(fù)雜性與工程師使用模擬綜合時(shí)遇到的困難類似。當(dāng)一個(gè)產(chǎn)品要求從計(jì)算系統(tǒng)轉(zhuǎn)向通信系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)公司的生產(chǎn)效率就會下降，這是因?yàn)橐粋€(gè)設(shè)計(jì)中的模擬部分的效率不會像數(shù)字設(shè)計(jì)那樣達(dá)到很高的效率。
電子工業(yè)要持續(xù)增長，就要大大提高模擬設(shè)計(jì)的效率?；旌闲盘柶骷梢蕴峁C(jī)械系統(tǒng)與計(jì)算系統(tǒng)之間的接口，并能實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的互連。最近三年，幾家新公司瞄準(zhǔn)了模擬綜合市場。就像任何開創(chuàng)性工作那樣，模擬綜合市場也是好壞參半，模擬綜合領(lǐng)域沒有提供一種統(tǒng)一的解決問題的方法。多數(shù)早期的供應(yīng)商均在重新審視其營銷方式。
模擬設(shè)計(jì)與綜合
模擬設(shè)計(jì)比數(shù)字設(shè)計(jì)難度大、費(fèi)時(shí)間。模擬設(shè)計(jì)師的人數(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于數(shù)字設(shè)計(jì)師，因此，隨著混合信號設(shè)計(jì)數(shù)量的增加，生產(chǎn)率便成了瓶頸。工程師設(shè)計(jì)模擬電路的方法是，先輸入原理圖，再利用原理圖編輯程序的特性和標(biāo)示功能來確定各個(gè)元件的規(guī)模并為它們設(shè)定偏置。為了對設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真以觀測其工作特性，工程師必須研制測試臺，設(shè)定工作目標(biāo)，進(jìn)行仿真，必要時(shí)修改電路，然后再重復(fù)以上過程，直到達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)為止。由于模擬仿真屬計(jì)算密集型，這一仿真過程所需時(shí)間比數(shù)字仿真長。工程師一旦定下某一電路，就必須把網(wǎng)表提供給布局布線和提取工具，以完成設(shè)計(jì)過程。模擬綜合工具可加快設(shè)計(jì)的仿真，優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，節(jié)省大量的時(shí)間（參考文獻(xiàn)1）。模擬綜合與數(shù)字綜合迥然不同。數(shù)字綜合使用它在單元庫中找到的單元來實(shí)現(xiàn)所需功能，從而把對一個(gè)功能塊集的描述映射成一個(gè)門電路序列。每個(gè)單元庫都是某個(gè)芯片制造廠和某種工藝專用的，但這些單元都是門級電路，而不是晶體管級電路。由于設(shè)計(jì)師必須直接用晶體管和基礎(chǔ)無源器件來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，所以模擬綜合沒有單元庫。模擬綜合從實(shí)現(xiàn)某一模擬功能的一個(gè)通用電路開始，例如鎖相環(huán)(PLL)、模/數(shù)變換器(ADC)、數(shù)/模變換器(DAC)或諧振器。它生成能最佳滿足設(shè)計(jì)師設(shè)定的參數(shù)和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)程序。在這個(gè)過程中，它可能產(chǎn)生成百上千個(gè)電路實(shí)例。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，沒有經(jīng)過模擬設(shè)計(jì)培訓(xùn)的設(shè)計(jì)工程師只要選擇一個(gè)模板并輸入工作要求和合適的過程參數(shù)，即可生成混合信號設(shè)計(jì)的模擬部分。如果邏輯設(shè)計(jì)師對闡述所需電路的性能的基本物理和電氣定律有所了解，這種方法很有用。而對于許多數(shù)字設(shè)計(jì)師來講，這種培訓(xùn)要求他們更新電子學(xué)方面的知識。
最初推出的模擬綜合工具是一種由功能模板、試驗(yàn)臺生成程序、仿真程序和評估程序組成的系統(tǒng)。評估程序可以決定結(jié)果是否達(dá)到了目標(biāo)，系統(tǒng)是否需要修改某些參數(shù)并重新執(zhí)行此過程。在修改參數(shù)時(shí)，工具可以采用隨機(jī)算法，如Monte Carlo，也可以使用更精確的以先前結(jié)果為決策依據(jù)的試探性算法。市場結(jié)果產(chǎn)生了若干產(chǎn)品系列，這些產(chǎn)品都力圖提高模擬設(shè)計(jì)的生產(chǎn)率。你現(xiàn)在仍然可以找到采用這些方法來解決問題的模擬綜合產(chǎn)品。你可能會發(fā)現(xiàn)有些供應(yīng)商銷售IP（知識產(chǎn)權(quán)）功能塊和工具，并使之符合你的要求。此外，你還可以使用現(xiàn)場可編程模擬陣列(FPAA)。
綜合工具
ADA（模擬設(shè)計(jì)自動化）公司用其Genius系列產(chǎn)品來解決模擬綜合問題。這些工具與Cadence公司、Mentor公司和 Synopsys公司的模擬設(shè)計(jì)環(huán)境相整合。在電路拓?fù)?、試?yàn)臺和過程模型文件給定的情況下，創(chuàng)新的Genius產(chǎn)品允許設(shè)計(jì)師尋求一組有可能使用的方法。這種綜合引擎利用模板庫的輸入和客戶提供的模擬仿真程序，產(chǎn)生能符合設(shè)計(jì)目標(biāo)的結(jié)果。它使用智能系統(tǒng)算法來達(dá)到以下四個(gè)目標(biāo)--局部參數(shù)、全局參數(shù)、拓?fù)溥x擇參數(shù)或完全結(jié)構(gòu)綜合--之一，具體視設(shè)計(jì)師的選擇而定（參考文獻(xiàn)2）。該系統(tǒng)并行生成多個(gè)候選結(jié)果，并將它們保存在工程師可利用Explorer Genius來瀏覽的數(shù)據(jù)庫中。該產(chǎn)品采用多種方法來使結(jié)果可視化，從而便于選擇供最終驗(yàn)證的候選結(jié)果。你一旦找到了結(jié)果，就可以把它保存在你的IP數(shù)據(jù)庫中。這一功能使用戶增強(qiáng)綜合工具使用的模板數(shù)據(jù)庫，并能使設(shè)小組和設(shè)計(jì)公司開發(fā)專用的IP數(shù)據(jù)庫。
另一家供應(yīng)商Antrim設(shè)計(jì)公司修改了它的經(jīng)營目標(biāo)，即從行為模擬仿真供應(yīng)商轉(zhuǎn)變?yōu)槟M和混合信號電路開發(fā)平臺供應(yīng)商。該公司用的Aptivia開放式平臺適用于規(guī)范驅(qū)動的混合信號設(shè)計(jì)，它提供了一種分析、表征和驗(yàn)證模擬和混合電路的自動化方法。設(shè)計(jì)師可以測定設(shè)計(jì)特性，生成和運(yùn)行試驗(yàn)臺，進(jìn)行各種試驗(yàn)，分析結(jié)果，然后完成對工作規(guī)范和性能規(guī)范是否可行的驗(yàn)證。該工具使用 Antrim 公司的Burst Licensing仿真功能來支持分布式處理，從而可以利用處理器在網(wǎng)絡(luò)上并行地運(yùn)行許多試驗(yàn)臺和進(jìn)行試驗(yàn)。設(shè)計(jì)師既可用人工方法尋求生成的途徑，也可以使用供選擇的綜合－優(yōu)化模塊。這一引擎使用一個(gè)模板數(shù)據(jù)庫，可進(jìn)行交流分析、直流分析、瞬態(tài)分析和噪聲分析，并可監(jiān)視用戶所選擇參數(shù)的測量值。你可使用 OmniSim 仿真程序來評估候選電路。用戶可為要使用的仿真程序提供激勵文件，并可獲取所得結(jié)果的最終網(wǎng)表。
與卡內(nèi)基－梅?。–arnegie-Mellon）大學(xué)（匹茲堡）有著技術(shù)交往的 Neolinear 公司完成了模擬/射頻設(shè)計(jì)師所面臨的三項(xiàng)勞動密集型任務(wù)：通過確定與工作規(guī)范有關(guān)的合適器件的寬度、長度和m系數(shù)來制定電路拓?fù)涞囊?guī)格；把已定規(guī)模的電路拓?fù)滢D(zhuǎn)換成物理布局；按照設(shè)計(jì)流程中的設(shè)計(jì)規(guī)則和制造工藝檢驗(yàn)設(shè)計(jì)。NeoCircuit 和 NeoCircuit RF 使用用戶提供的模擬仿真程序來為模擬和射頻原理圖分別設(shè)定規(guī)模和偏置，以驗(yàn)證向既定目標(biāo)逼近的情況。NeoCell對所選定的電路自動布局布線。一旦完成布局設(shè)計(jì)就可以使用 NeoCircuit 或 NeoCircuit RF 來驗(yàn)證所提取的帶有寄生參數(shù)值的網(wǎng)表。Neolinear 公司已經(jīng)與 Cadence 公司達(dá)成一項(xiàng)獨(dú)家經(jīng)銷協(xié)議。根據(jù)此項(xiàng)協(xié)議，Cadence 公司是 NeoCell 的獨(dú)家經(jīng)銷商,而且Neolinear公司的所有產(chǎn)品都與Cadence 公司的產(chǎn)品整合在一起(圖1)。
只要觀察一下Neolinear 公司的m系數(shù)處理方法的一個(gè)側(cè)面，就可以對模擬綜合的復(fù)雜性有所了解。至于m系數(shù)的定義，目前尚無權(quán)威的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。工藝文件通常描述用來鑒定某個(gè)器件是否合格的w參數(shù)、l 參數(shù)和 m 參數(shù)。比較常用的定義將 m 用作乘數(shù)，表示有 m 個(gè)各自獨(dú)立的并行器件。然而，實(shí)際上這種用法主要取決于設(shè)計(jì)公司以及工程師建立成套工藝開發(fā)工具（PDK）的方法。PDK包括工程師從原理圖到布局驗(yàn)證所需的一切工具。它包含有器件模型、設(shè)計(jì)規(guī)則、層映射和有關(guān)布局的其它信息。許多PDK還包括電子設(shè)計(jì)自動化（EDA）供應(yīng)商專有信息（如 Cadence公司的 P-單元）和布局與原理圖對比檢驗(yàn)工具的提取板（如 Cadence公司的 Assura）。你可以配置Neolinear公司的各種工具，以適合你的PDK。一個(gè)設(shè)置文件可使你規(guī)定 m 是指 "并行器件數(shù)目"、"條紋寬度"，還是指"器件中指狀元件數(shù)目"。用來生成總寬度的條紋數(shù)目決定指狀元件數(shù)目。假設(shè)你希望w/l 等于 800/10。在一些成套工具中，你說 800/10和m,意指你想要 10 個(gè)器件，每個(gè)器件的w/l 為 80/10。在另一些成套工具中，同樣的輸入將會給出10 個(gè)800/10 器件，結(jié)果得到的 w/l 等于 8000/10。然而，在其他成套工具中，你可以獨(dú)立于總寬度來確定條紋寬度，因此PDK可間接計(jì)算出指狀元件的有效數(shù)目。 Neolinear 公司接受對m系數(shù)的上述所有解釋，并使用PDK中的信息來選擇PDK處理設(shè)計(jì)時(shí)必須采用的語義。NeoCircuit 設(shè)置文件實(shí)質(zhì)上是設(shè)計(jì)環(huán)境中回叫功能的復(fù)制。譬如，當(dāng)設(shè)計(jì)師把原理圖上FET器件的寬度增加一倍時(shí)，源極面積就翻一番。設(shè)置文件反映出這種變化。NeoCell 包括一個(gè)存儲設(shè)計(jì)規(guī)則的技術(shù)文件、用戶優(yōu)先選擇權(quán)（如，如何使器件交錯）和工藝參數(shù)。由于NeoCell文件必須包括專用工藝和專用布局布線的全部規(guī)則，所以它比NeoCircuit文件長。
模板物有所值
斯坦福大學(xué)（美國加州）成立一個(gè)叫Barcelona Design(巴塞羅那設(shè)計(jì)公司)，專門研究有關(guān)模擬設(shè)計(jì)和凸面優(yōu)化算法的交叉功能邊界的確定。它為模擬綜合提供了創(chuàng)新的經(jīng)營方法。該公司提供的綜合模板可以通過互聯(lián)網(wǎng)登錄訪問。用戶可查看該公司網(wǎng)頁，選擇放大器或數(shù)據(jù)變換器等模擬電路的模板，提供其要求，選擇一個(gè)由巴塞羅那設(shè)計(jì)公司支持的芯片加工廠，并接收加工硅片所需要的所有數(shù)據(jù)。根據(jù)這種原來的經(jīng)營模式，系統(tǒng)公司可以購買綜合平臺并將它安裝在自己的企業(yè)網(wǎng)上，從而生成一個(gè)專有的模擬IP開發(fā)系統(tǒng)。后來，他們又認(rèn)識到，模板是很有價(jià)值的知識產(chǎn)權(quán)。因此，他們改變了公司的營銷策略，將公司定位為一個(gè)IP（知識產(chǎn)權(quán)）供應(yīng)商，而不是工具的供應(yīng)商。雖然大的系統(tǒng)公司仍可以經(jīng)許可復(fù)制 Prado 綜合平臺，但是必須支持他們用來生成生產(chǎn)中所用電路的每個(gè)模板的費(fèi)用。新的經(jīng)營模式是對最后完成的設(shè)計(jì)進(jìn)行收費(fèi)。按照這種方式，巴塞羅那設(shè)計(jì)公司經(jīng)濟(jì)地分享著其客戶的成功，并以傳統(tǒng) EDA 供應(yīng)商所不可能采用的方式擴(kuò)大它的收入潛力。由于客戶獲得有用的模擬模塊既需要知識產(chǎn)權(quán)又需要綜合平臺，所以該公司與傳統(tǒng)的IP公司相比還享有獨(dú)特的優(yōu)勢。該公司這個(gè)特點(diǎn)是又與只銷售模擬IP（知識產(chǎn)權(quán)）的供應(yīng)商截然不同的。
巴塞羅那公司推出的最新綜合引擎系列 Miro包括新的CGS18T 工具。這種工具以TSMC 的 0.18 微米數(shù)字 CMOS 工藝為目標(biāo)，為時(shí)鐘生成與同步提供靈活的、高性能PLL（鎖相環(huán)）。為了利用這一工具，工程師可使用 Prado 綜合平臺來定義鎖相環(huán)要求，規(guī)定目標(biāo)工藝和電路參數(shù)（如輸入頻率和頻率倍增系數(shù)），并規(guī)定硅片面積、功耗、時(shí)鐘抖動和其他參數(shù)。用戶可以選用的條件有49個(gè)之多，其中包括工藝組合、電壓組合和溫度組合等等。然后，Prado 綜合平臺使用 Miro CGS18T 鎖相環(huán)引擎自動為每個(gè)晶體管確定長度、寬度和指狀元件的數(shù)量(巴塞羅那公司的釋義中的m系數(shù))。該引擎還可確定環(huán)路濾波器中無源元件的參數(shù)值、環(huán)狀振蕩器VCO（壓控振蕩器）中的級數(shù)、電荷泵電流以及電路的布局布線。
設(shè)計(jì)師可以探討該電路的特性（圖2），修改輸入?yún)?shù)，并繼續(xù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，直到獲得滿意的結(jié)果。你可以通過萬維網(wǎng)免費(fèi)探討你的設(shè)計(jì)思想。一旦把數(shù)據(jù)下載到你的系統(tǒng)，即要付費(fèi)。
現(xiàn)場可編程模擬陣列(FPAA)
Anadigm公司（摩托羅拉的一家子公司）生產(chǎn)了用于模擬電路開發(fā)和編程的現(xiàn)場可編程模擬陣列(FPAA)器件及軟件工具 (參見附文《現(xiàn)場可編程模擬陣列：按結(jié)構(gòu)綜合》)。它提供一個(gè)可配置模擬模塊(CAM)的庫。你可以利用這一CAM庫和AnadigmDesigner2 軟件工具來實(shí)現(xiàn)一系列的模擬功能。CAM允許你在更高的抽象層工作，從而簡化了模擬電路的設(shè)計(jì)。CAM的功能包括濾波級、求和/求差級、電壓倍增級、整流器和振蕩器。所有這些功能都具有可由用戶定義的屬性。通過拖放CAM，你就可以設(shè)計(jì)和仿真一個(gè)完整的模擬系統(tǒng)，然后使用開發(fā)系統(tǒng)來為FPAA編程并測試你的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)環(huán)境包括一個(gè)時(shí)域功能仿真程序，其用戶界面提供的步驟與在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行小型測試的步驟類似。AnadigmDesigner2可自動地把設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成C代碼模塊，再由C代碼模塊來使微處理器控制嵌入式系統(tǒng)中的電路，從而支持FPAA現(xiàn)場重新配置。這樣，你就可以開發(fā)出實(shí)時(shí)利用系統(tǒng)資源來控制和調(diào)整模擬功能的代碼。
模擬設(shè)計(jì)是一種艱難的藝術(shù)
模擬綜合的目標(biāo)是向自動生成設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)工具描述某些所需的電路特性或目標(biāo)。為了達(dá)到預(yù)期的效果，應(yīng)有各種各樣的電路類型和體系架構(gòu)作為綜合的出發(fā)點(diǎn)，因?yàn)槌晒θQ于預(yù)想的設(shè)計(jì)與起始模板的良好匹配。許多系統(tǒng)公司都有希望反復(fù)使用的模擬設(shè)計(jì)，而實(shí)現(xiàn)反復(fù)使用的方法無非是修改性能規(guī)范或根據(jù)新工藝重新制定設(shè)計(jì)目標(biāo)。這項(xiàng)任務(wù)中最耗時(shí)的是仿真。目前正在使用的大多數(shù)模擬仿真程序都是20世紀(jì) 70 年代后期由美國加州大學(xué)伯克萊分校研制的不同版本的Spice 仿真程序。盡管人們做了多次嘗試，但目前仍無人能夠做出性能比 Spice好、精度與Spice相當(dāng)?shù)哪M仿真程序。也有一些新型仿真程序聲稱其仿真質(zhì)量已達(dá)到 Spice 水平，但仿真時(shí)間已大大縮短。例如，Nassda 公司就開發(fā)出一種 HSIM 工具，據(jù)稱仿真結(jié)果與 Spice接近，而執(zhí)行時(shí)間則明顯縮短。于是，你就可以人工重新制定設(shè)計(jì)目標(biāo)，并使用諸如HSIM那樣的仿真程序來驗(yàn)證你的工作。如果結(jié)果看上去有希望，再使用一種Spice 仿真程序來認(rèn)證設(shè)計(jì)。如果你熟悉原始設(shè)計(jì)并理解目標(biāo)工藝的要求，那你不使用模擬綜合工具也能完成這項(xiàng)任務(wù)。
如果你需要設(shè)計(jì)的某種模擬電路與供應(yīng)商所提供的功能模板都不吻合，你必須按照老方法從頭開始進(jìn)行設(shè)計(jì)。兩家新公司認(rèn)為，提高模擬設(shè)計(jì)生產(chǎn)率的途徑是為設(shè)計(jì)師提供比現(xiàn)有工具更好的工具。Orora設(shè)計(jì)科技公司就是其中一家公司。該公司認(rèn)為與數(shù)字綜合方法并駕齊驅(qū)的模擬綜合是不可能實(shí)現(xiàn)的，即使有可能，模擬設(shè)計(jì)師也決不會接受。然而，對更好的模擬設(shè)計(jì)工具的需求確實(shí)存在，而且該公司的官員認(rèn)為，Orora具有開發(fā)這些工具的技術(shù)知識。Orora 公司的目標(biāo)是為模擬設(shè)計(jì)師開發(fā)出創(chuàng)新的 CAD 工具，用以縮短設(shè)計(jì)周期，有助于提高設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性，還可以大大提高生產(chǎn)率。目前正在開發(fā)的產(chǎn)品中，有一種產(chǎn)品可使電路設(shè)計(jì)自動化。該產(chǎn)品利用設(shè)計(jì)師所熟悉的模擬仿真程序或解析建模方式，或同時(shí)使用兩者來使器件/拓?fù)湟?guī)范適配。如果你為這一工具提供一組可供選擇的拓?fù)?，那它就可以挑選出能夠滿足設(shè)計(jì)要求的一個(gè)最佳電路或一組最佳備選電路。因?yàn)槟M設(shè)計(jì)師習(xí)慣于原理圖和圖片，所以該工具使用可視化算法來提供反饋信息。第二種產(chǎn)品可使人工電路分析自動化。它可推導(dǎo)出一些關(guān)鍵性電路性能（如噪聲系數(shù)和非線性）的解析表達(dá)式。該產(chǎn)品顯著縮短典型模擬電路塊的人工分析時(shí)間。這種工具具有一組假設(shè)（what-if）和靈敏度分析功能以及可視化功能。此工具適用于連續(xù)定時(shí)的模擬電路和離散定時(shí)的模擬電路。上述兩種工具均可作為一種獨(dú)立的產(chǎn)品來使用。Orora 公司已把這兩種產(chǎn)品整合到 Cadence公司和其他 EDA 供應(yīng)商的設(shè)計(jì)流程中。
CiraNova是另一家專門解決模擬設(shè)計(jì)復(fù)雜性的新公司。摩爾定律使模擬設(shè)計(jì)師的日子很難過。由于每一種混合信號芯片都需要獨(dú)特的模擬電路，所以設(shè)計(jì)師承擔(dān)的模擬設(shè)計(jì)比較多。產(chǎn)品生命周期之所以縮短是因?yàn)閿?shù)字部分促進(jìn)了產(chǎn)品投資的回收。產(chǎn)品壽命周期的縮短要求設(shè)計(jì)師提供更多的模擬設(shè)計(jì)，但是模擬設(shè)計(jì)師本來就奇缺。該公司認(rèn)為，模擬設(shè)計(jì)，尤其是物理設(shè)計(jì)模擬過于復(fù)雜，無法完全自動化。生成高性能的模擬布局需要布局綜合師擁有他們從不奢望的洞察力、技巧和藝術(shù)才能。然而，布局的任何替代方法都沒有解決當(dāng)代模擬設(shè)計(jì)師面臨的生產(chǎn)率低這個(gè)根本問題。模擬設(shè)計(jì)師一直面臨著如何將編譯生產(chǎn)率和人工編輯質(zhì)量進(jìn)行折衷考慮的問題。設(shè)計(jì)師需要一組既能讓他們隨時(shí)實(shí)現(xiàn)自動化，又使他們在必要時(shí)交互控制和編輯布局的工具。CiraNova 公司正在開發(fā)一種允許互動式編譯的工具，以提高模擬物理設(shè)計(jì)的效率。
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