Материал: Моделирование аналоговых устройств сверхбольших интегральных схем. Балашов Ю.С., Мушта А.И

После выполнения последнего этапа верификации топологии изготавливается экспериментальный образец, который тщательно тестируется и при удовлетворительных результатах начинается серийное производство изделия.

В связи с переходом полупроводниковой технологии в нанометровую область (минимальные размеры элементов менее 0,18 мкм) появилось множество новых электрических эффектов, которые ранее наблюдались только в аналоговых схемах и которые не могут быть учтены средствами упрощенного временного анализа. Кроме того, бурный рост средств телекоммуникации, потребительской и автомобильной электроники, а также средств индустриальной автоматизации привел к тому, что уже в настоящее время 25 % всех проектируемых систем на кристалле (SoC) являются аналого-цифровыми и их доля к 2006 году достигнет 70 %. Логические схемы, память и аналоговые блоки, которые раньше располагались в отдельных микросхемах на печатной плате, теперь располагаются на одном кристалле. Верификация такой системы имеющимися средствами моделирования стала невозможной. По этой причине резко возросла актуальность точного схемотехнического (SPICE-подобного) моделирования, которое еще 5-10 лет назад использовалось исключительно для моделирования аналоговых цепей или небольших фрагментов цифровых БИС.

2. Среда проектирования аналоговых устройств. Маршрут моделирования и проектирования аналоговых устройств Cadence ic

2.1. Среда проектирования аналоговых устройств

«Cadence» – система автоматизированного проектирования (САПР), которая позволяет в единственной программной оболочке проводить моделирование и разработку интегральных схем (ИС) в едином технологическом базисе.

Классические программы моделирования аналоговых электронных схем, такие как Spice, Spectre и другие, обеспечивают хорошую сходимость решения в большинстве случаев и гарантируют достаточную точность. Однако, постоянный рост сложности и объемов проектов БИС привел к увеличению размеров схем до десятков и сотен миллионов узлов. Как следствие, производительность классических программ моделирования, построенных на традиционном подходе составления и решения системы ОДУ с применением методов разреженных матриц, стала явно недостаточной для решения системы уравнений, описывающей всю схему.

Подходы, применявшиеся несколько лет назад, состоят в расчете фрагментов схем, базовых ячеек или в комбинированном применении логических и временных расчетов совместно с моделированием аналоговых фрагментов схем на уровне транзисторов. Широкое распространение нашло также макромоделирование.

В последние годы, интенсивно начали развиваться программы моделирования нового поколения, так называемые «быстрые симуляторы». Их применение дает качественный скачок в производительности. Появилась возможность моделировать БИС объемом в десятки и сотни миллионов узлов с точностью и требованиями к вычислительным ресурсам, близкими к традиционным программам моделирования (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Возможности систем моделирования различных поколений

Решение, предлагаемое Cadence на данном сегменте рынка, - платформа Virtuoso и система FastSPICE Ultrasim. Наряду с известными системами моделирования, Ultrasim интегрирован в общую среду разработки Virtuoso и дает возможность быстро получить решение с приемлемой точностью при возрастании сложности проекта на несколько порядков.

2.2. Постановка задачи и платформа Cadence Virtuoso как метод решения

Технические требования к аналоговым, заказным цифровым, радиотехническим и смешанным проектам росли экспоненциально в последнее десятилетие (рис. 2.2). Экономические факторы и конкуренция на рынке электроники вынуждают разработчиков применять новые технологии и объединять прежде независимые блоки на одном кристалле (System-On-Chip, SOC). Многие производители переходят на современные технологии проектирования по нормам 0.13 мкм – 65 нм, и совмещают аналоговое проектирование, с нанометровыми цифровыми дизайнами. Более того, основой цифрового проектирования является использование библиотек стандартных и специализированных заказных блоков, разрабатываемых с применением средств аналогового моделирования.

Рис. 2.2. Взаимосвязь технологии, сложности и стоимости проекта

В зависимости от сложности и объема решаемых задач, Vittuoso ADE (Analog Design Environment) (рис. 2.3) может интегрировать различные системы аналогового моделирования (Spice, Spectre, UltraSim, Multi-mode Simulation), обепечивать обратную аннотацию паразитных параметров, экстрагируемых с помощью Assura RC, поддерживать кросс-пробинг между схемным вводом (Virtuoso Schematic Editor), топологическим редактором (Virtuoso Layout Editor) и системой анализа результатов моделирования.

Рис. 2.3. Основные компоненты среды

проектирования Virtuoso ADE

Платформа Virtuoso может работать с базой данных Cadence CDBA или с базой OpenAccess. С этой платформой, возможно быстрое проектирование с высоким выходом годных для геометрий от 1 мкм до 90 нм и менее.

2.3. Маршрут моделирования аналоговых устройств

Важную роль при проведении моделирования физических процессов, протекающих в аппаратуре, играет его правильный порядок. Он определяется с одной стороны логикой проектирования аппаратуры, а с другой взаимосвязью моделей физических процессов между собой.

Порядок проведения тех или иных работ в процессе автоматизированного проектирования регламентируется соответствующими методиками. На рис. 2.4 представлена схема алгоритма методики моделирования РЭС.

Рис. 2.4. Схема алгоритма методики моделирования РЭС

Предлагаемая методика включает базовый набор работ, которые необходимо провести при проектировании любой аппаратуры и, по сути, является типовой. Однако при проектировании конкретных классов РЭС в эту методику могут быть добавлены дополнительные работы, отражающие специфику аппаратуры или исключены имеющиеся. Может быть изменен и порядок проведения работ, однако, с условием ненарушения взаимосвязи моделей физических процессов.

В предложенной методике взаимосвязь моделей физических процессов отражается в дублировании некоторых работ, например, моделировании электрических процессов и исследовании разбросов. При моделировании электрических процессов и исследовании разбросов в первый раз, нам не известны температуры радиоэлементов, поэтому учесть их нет возможности, и они задаются равными 25 градусам Цельсия.

Возникает вопрос. Имеет ли смысл эти работы проводить здесь? Практика проектирования показывает, что имеет, поскольку результаты этих работ, во-первых, позволяют правильно сравнить полученные результаты моделирования с требованиями ТЗ, а во-вторых, грамотно сформулировать требования к конструкции. Второй раз моделирование электрических процессов и исследование разбросов проводится после разработки конструкции и моделирования тепловых процессов конструкции, поэтому температуры радиоэлементов становятся известными и появляется возможность их учесть.

Итогом выполнения работ является исследование надежности аппаратуры, которое интегрирует результаты всех работ и позволяет дать оценку качества разработанной схемы и конструкции.

2.4. Маршрут проектирования аналоговых устройств

Маршрут проектирования аналоговых устройств заключается в определении состава функциональных модулей входящих в состав ИМС на основе требований, определяемых предварительной спецификацией.

Важное замечание. Формально этот уровень не привязан к технологическому процессу, так как при разбиении алгоритма на реализующие его функции мы можем на первом этапе игнорировать ограничения, накладываемые физической реализацией ИМС.

Однако в связи с тем, что параметры технологического процесса могут оказать серьезное влияние на архитектуру ИМС исследования на уровне архитектуры по обоим направлениям – алгоритмическому и технологическому ведутся параллельно (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Моделирование на системном уровне

Задача системного моделирования – подтвердить правильность выбранного алгоритма для решения задачи. Эта задача решается с помощью программно-аппаратных средств, используя описательные модели, выполненные на языках высокого уровня: SystemC, SystemVerilog, Verilog, VerilogA, VerilogAMS и др. или формально на уровне математических формул. Создается высокоуровневая поведенческая модель всей разрабатываемой системы. Она, как правило, строится в виде блок-схемы. Для верификации разработанной поведенческой модели создается тестовый испытательный стенд (тестовое окружение) системы (Testbench), которое включает в себя генераторы входных сигналов, тестовые последовательности блоки отображения выходной информации, нагрузку. Тестовое окружение должно максимально полно проверять работу системы. Впоследствии на основе этого тестового окружения будут разрабатываться тестовые векторы для верификации проекта на нижних уровнях проектирования и для тестирования опытных образцов СБИС.

Поведенческая модель верифицируется путем компьютерного моделирования. Если в процессе верификации обнаруживаются какие-либо отклонения от требований системной спецификации, то модель корректируется и моделирование повторяется. Кроме верификации, на данном шаге можно выбрать оптимальные параметры алгоритма системы. Например, разработчик может найти компромисс между вычислительной сложностью и точностью.

Исследование архитектуры включает в себя анализ состояния проблемы на сегодняшний день для правильного выбора архитектуры соответствующей выбранному технологическому процессу. Анализ должен проходить по трем направлениям:

ИМС, выполняющие такую же функцию (если существуют) и имеющие спецификацию (ТУ);

перспективные разработки;

патентные исследования;

Задачи, решаемые этими направлениями (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Алгоритм исследования на уровне архитектуры

Спецификация модулей, полученная с использование моделирования на системном уровне и исследования и выбора архитектуры позволяет разработать схемы модулей, используя тот же подход, что и на системном (функциональном) уровне. Основное отличие – вместо идеализированных представлений модулей необходимо использовать схемотехническое представление элементов интегральной схемы, имеющихся в данном технологическим процессом.

Перед проведением этого этапа необходимо тщательно проанализировать документацию, предоставленную обладателем технологического процесса. Основным документом, характеризующим технологический процесс является спецификация процесса, которая определяет:

набор элементов, доступных в технологическом процессе и их базовые характеристики;

ограничения, накладываемые на использование этих приборов;

физические характеристики слоев формирующих устройства, которые определяют паразитные элементы межсоединений;

допустимые отклонения основных параметров элементов.