Сложившееся в практике проектирования разделение труда между разработчиками БИС, с одной стороны, и учет реальных возможностей современных ЭВМ - с другой, диктуют иной метод моделирования. Общепринятым в настоящее время является метод, согласно которому на различных уровнях моделирования используют различные модели. Это обеспечивает достижение разумного компромисса: сложность модели - точность моделирования. Кроме того, такой метод позволяет достаточно гибко и оперативно проводить сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными и уточнять исходные значения, т.е. осуществлять итерационный процесс оптимизации приборных структур по электрофизическим параметрам с учетом заданных электрических параметров, принятых ограничений. Этот метод позволяет также соразмерять возможности численного моделирования по точности с точностью исходных данных. В условиях резкого увеличения размерности задач, характерного для этапа создания СБИС и УБИС, главной тенденцией развития методов моделирования стало совместное применения моделей различных иерархических уровней. Идея многоуровневого моделирования структур элементов БИС подразумевает комплексное использование при проектировании различных моделей одного и того же объекта - полупроводникового прибора транзисторного типа. На этапе технологического моделирования применяют модели, имитирующие процессы ионного легирования диффузии, эпитаксиального (гомо, гетеро, молекулярного) наращивания и оксидирования.
Именно эти процессы в основном определяют распределение примесей в полупроводниковых структурах, глубины и конфигурации р-n-переходов. Кроме этих моделей используют модели процессов формирования поверхностных конфигураций (топологии). Такими моделями являются модели литографии, исключающие нанесение и травление пленок. Исходными данными для моделирования являются параметры режимов соответствующего технологического оборудования (время обработки, температура, наружное давление, доза и энергия ионной бомбардировки и т. п. ) Общее назначение моделей технологических процессов - модели планарной технологии создания БИС - состоит в получении информации о конфигурации и размерах областей, распределении примесей в полупроводниковой структуре. На основании этой информации по известным зависимостям определяют электрофизические параметры отдельных рабочих областей структуры, например подвижность, время жизни носителей, скорость рекомбинации и т. п.
Как объект моделирования полупроводниковый прибор представляет собой тpехмеpную структуру из полупроводниковых; диэлектрических и металлических областей со сложным распределением концентраций легирующих примесей и с различными электрофизическими параметрами Кроме того, особенностью объекта моделирования является множество физических процессов, протекающих в его структуре, и сложный характер взаимодействия с окружающей средой. Исходя из задач проектирования элементной базы в качестве основных определены следующие классы моделей интегральных структур: 1) стpктуpно-физические 2) физико-топологические, 3) электрические.
Совокупность моделей образует систему, взаимосвязи в которой определяются иерархическим принципом. Модели, используемые на каждом последующем более высоком уровне проектирования, отличаются большей степенью абстрагирования. Результаты моделирования на более низком, уровне используют как исходные данные для моделирования на более высоком уровне. Для каждого уровня характерны своя теоретическая основа и математический аппарат для синтеза и анализа моделей. На первом уровне моделирование производят наиболее детально.
На основе феноменологической теоpии полупроводников рассматривают физические процессы в полупроводниковой структуре: дрейф, диффузию, генерацию и рекомбинацию основных и неосновных носителей заряда. Исходными данными являются структурно-технологические параметры (геометрия структуры и распределение концентрации примесей в ней). В результате моделирования получают пространственно-временные распределения подвижных носителей заряда и электрического потенциала в структуре.
На втором уровне моделирования полупроводниковых структур используются модели с меньшей детализацией. На основе теории поля с распределенными источниками тока рассматривают процессы растекания токов основных носителей заряда в рабочих областях элементов (транзисторных, функционально-интегрированных элементах, резисторах и т. п.). Исходными данными для такого моделирования являются топология и так называемые интегральные параметры физической структуры, инвариантные относительно топологии. К таким параметрам относятся удельные значения объемных и поверхностных сопротивлений рабочих областей, канальные токи р-n-переходов, барьерных и диффузионных областей.
Эти параметры могут быть определены на первом уровне моделирования или же экспериментально с помощью специальных тестовых элементов. Модели второго уровня, использующие уже найденные с помощью сложных физических моделей первого уровня интегральные параметры физической структуры, экономят машинное время по сравнению с моделями первого уровня за счет исключения вычислений пространственного распределения носителей заряда на каждом шаге итерационного процесса отработки топологии элементов. По существу, применение моделей второго уровня делает реальным автоматизацию процесса разработки топологии элементов за счет разделения задачи боль шой размерности, непосильной для современной вычислительной техники.
Таким образом, модели данного уровня, используются в качестве исходных данных результаты моделирования на первом уровне, позволяют с помощью ЭВМ определить параметры электрических эквивалентных схем. Математическим аппаратом анализа на данном уровне являются численные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных, в основе которых лежит метод конечных разностей.
Модели третьего уровня представляют собой обширную группу электрических эквивалентных схем. Эквивалентные схемы полупроводниковых приборов широко используют для расчета электрических режимов БИС. Теоретической основой для синтеза, данного класс моделей, являются модели первого уровня, применяемые и для идентификации некоторых параметров эквивалентных схем.
Другой основой синтеза электрических эквивалентных схем и средством идентификации их параметров являются физико-топологические модели. В этом случае появляется возможность учета в эквивалентных схемах конкретной топологии элементов БИС. Кроме того, разработаны методы идентификации параметров эквивалентных схем по экспериментальным ВАХ. Результатом моделирования является нахождение токов и напряжений в ветвях и узлах принципиальной электрической схемы БИС илй ее фрагментов. Данные модели являются практически единственным аппаратом оценки эффективности того или иного схемотехнического решения БИС или ее отдельных фрагментов с учетом особенностей физической структуры и топологии. В конечном счете от точности данных моделей зависит точность прогнозирования электрических характеристик БИС.
Система схемотехнического моделирования AVOSpice компании UniqueICs(www.uniqueics.ru), базирующейся в Зеленограде, – один из самых быстрых Spice-симуляторов в мире на сегодяшний день. Технологии и научные разработки, применяемые в этой программе, идут в русле (в чем-то даже опережая) современных тенденций развития средств точного электрического моделирования СБИС.
Для современной микроэлектроники характерно постоянное усложнение проектируемой элементной базы. Широкое распространение в последнее время получили сложные СБИС типа система на кристалле (SoC) и система в корпусе (SiP). Их доля уже сейчас составляет существенную часть от общего числа проектируемых интегральных схем и в дальнейшем ее рост будет продолжаться. На одном кристалле SoC одновременно могут размещаться большие цифровые блоки управления, аналоговые блоки обработки сигнала, различные датчики. Кроме того, при проектировании таких систем часто уже нельзя пренебрегать влиянием индуктивностей контактных площадок и выводов корпуса ИС. Основные проблемы, с которыми сталкиваются разработчики SoC, – высокая размерность системы и необходимость совместного моделирования блоков, описанных в виде различных математических моделей, в рамках этой системы. Развитие средств поведенческой и функционально-логической верификации интегральных схем ультрабольшой степени интеграции (УБИС) позволило проектировать устройства, содержащие десятки миллионов транзисторов. Однако такое проектирование не является достаточно точным и, как следствие, результаты могут быть противоречивыми. Это приводит к необходимости оставлять большие "запасы", например по быстродействию. Для схем, разрабатываемых по технологии 90 нм и меньше, такой запас может быть двух- или трехкратным. Получить работоспособные схемы, работающие на предельных характеристиках, например частотах, можно только применив более точные методы схемотехнического моделирования. Использование средств схемотехнического моделирования для полной верификации проектов существенно повышает вероятность изготовления УБИС с заданными характеристиками и позволяет выявить области на кристалле, оптимизация которых обеспечит повышение быстродействия и/или улучшение других параметров схем.
При оценке средств моделирования обычно выделяют два основных требования – производительность и достоверность получаемых результатов. Первое обусловлено необходимостью проектировать все более сложные изделия в коммерчески приемлемые сроки. Второе – необходимостью безошибочного проектирования, поскольку каждая ошибка разработчика может обойтись в сотни тысяч долларов.
Базовые математические методы и алгоритмы, используемые при автоматизации расчета электрических схем, были разработаны сравнительно давно. Однако поиск новых подходов в этой области идет постоянно при тесном взаимодействии разработчиков САПР и специалистов в области численного моделирования. На ранних этапах развития схемотехнического моделирования основными критериями были экономия машинной памяти и сокращение временных затрат. Со временем мощности вычислительных средств выросли, а стоимость оперативной памяти сильно упала. Однако размеры проектируемых схем также увеличились, и требования к САПР по сути остались прежними. Но изменились приоритеты. Сегодня на первый план, несомненно, вышла задача повышения производительности программ моделирования. Для ее решения в основном используются две группы методов: учет структурных особенностей проектируемых схем и использование упрощенных моделей элементов. Благодаря учету структурных особенностей схем можно значительно повысить скорость моделирования и снизить объем необходимой оперативной памяти, но только для отдельных специальных типов схем, например схем памяти. Использование упрощенных моделей элементов в программах так называемого "FastSpice" быстрого схемотехнического моделирования (NanoSim, UltraSim, HSim) позволяет существенно сократить время моделирования, но приводит к снижению точности получаемых результатов из-за более грубых моделей.
Еще одно направление повышения производительности моделирования – создание специализированных аппаратных вычислителей, в которых наиболее трудоемкие вычисления реализованы на аппаратном уровне. Основная проблема аппаратного подхода – дороговизна, отсутствие универсальности, а также быстрый рост производительности вычислительных систем общего назначения, в результате чего специализированные аппаратные комплексы быстро устаревают. Например, с появлением многоядерных микропроцессоров рост производительности персональных компьютеров (ПК) начал превышать рост производительности рабочих станций. При этом цена ПК в разы и даже десятки раз ниже стоимости сопоставимой по характеристикам рабочей станции. Если алгоритмы и программное обеспечение позволяют распараллелить процесс вычислений с учетом особенностей многоядерной архитектуры, то производительность программ моделирования на ПК может быть существенно увеличена.
Число аналоговых интегральных схем, применяемых для выполнения многочисленных операций по обработке сигналов, постоянно растет. В соответствии с областью их применения все аналоговые интегральные схемы можно разбить на два больших класса. Первый класс содержит аналоговые интегральные устройства, созданные для весьма специфических применений. Самую большую группу в этом классе составляют аналоговые устройства для систем связи, такие, как видеоусилители, демодуляторы сигналов цветности и стереомодуляторы. Примером некоторых других устройств этого класса, не относящихся к системам связи, являются регуляторы напряжения, линейные возбудители и приемники и чувствительные усилители.
Второй основной класс включает все аналоговые интегральные устройства, предназначенные для самых разнообразных применений. Самую большую группу этого класса составляют операционные усилители; сюда же входят компараторы напряжения, аналоговые перемножители, цепи фазовой автоподстройки частоты и интегральные усилители мощности.
Все аналоговые интегральные схемы независимо от их классификации состоят из известных схемных структур, которые выполняют в приборе конкретные функции. Структуры унифицированных узлов не являются совершенно новыми схемами, а представляют собой хорошо известные схемные конфигурации, разработка которых основывается на тех преимуществах и ограничениях, которые порождаются процессом производства интегральных схем.
С учетом степени новизны разрабатываемых изделий различают следующие задачи проектирования:
Модернизация существующих РЭУ за счет изменения его параметров структуры и конструкции, обеспечивающая сравнительно небольшое (до нескольких десятков процентов) улучшение одного или нескольких показателей качества для решения тех же или новых задач.
Существенная модернизация, предполагающая значительное (в несколько раз) улучшение показателей качества.
Создание новых РЭУ, основанных на ранее не применявшихся принципах действия, для резкого (на несколько порядков) увеличения показателей качества при решении тех же или существенно новых задач.
Сточки зрения последовательности выполнения различают основные стадии проектирования:
Предварительное проектирование, результатом которого являются технические предложения. Эта стадия в наибольшей степени насыщена элементами научного поиска, теоретическими расчетами, экспериментальными исследованиями. Они завершаются обычно созданием лабораторных макетов.
Эскизное проектирование, результатом которого является эскизный проект - на этой стадии усилия разработчиков во многом направлены на поиски эффективных конструкторских решений. Она также связана с большим объемом теоретических изысканий, сложных расчетов и заканчивается созданием экспериментального образца проектируемого изделия и его тщательными экспериментальными исследованиями (натурным моделированием).
Техническое проектирование, при котором выполняется тщательная проработка всех схемных, конструкторских и технологических решений. На стадии технического проектирования создается техническая документация на разрабатываемую аппаратуру и процессы ее производства.
Итогом является технический проект, содержащий необходимую документацию и опытный образец изделий, прошедший всесторонние испытания в реальных условиях эксплуатации. При этом следует подчеркнуть чрезвычайную важность и трудоемкость создания технической документации, на основе которой происходит дальнейшее единичное, серийное или массовое производство РЭУ.
По содержанию решаемых задач процесс проектирования можно разбить на следующие четыре этапа:
Системотехническое проектирование, при котором выбираются и формулируются цели проектирования, обосновываются исходные данные и определяются принципы построения системы. При этом формируется структура проектируемого объекта, его составных частей (функционально завершенных блоков), определяются энергетические и информационные связи между составными частями. В результате формируются частные технические задания на проектирование отдельных составных частей объекта.
Схемотехническое (функциональное) проектирование РЭУ, имеющее целью аппаратурную реализацию составных частей устройства. При этом выбор элементной базы, принципиальной схемы, структурный и параметрический синтез радиоэлектронных схем (оптимизация параметров) производятся с расчетом обеспечения наилучшего функционирования (и эффективного производства). При выборе элементной базы и синтезе радиоэлектронных схем необходимо учитывать конструкторско-технологические требования.
Техническое проектирование (конструирование), решающее задачи компоновки и размещения элементов и узлов, выполнения печатных и проводных соединений, а также задачи теплоотвода, электрической прочности, зашиты от внешних воздействий и т. п. На этом этапе разрабатывается техническая документация для изготовления и эксплуатации РЭУ.
Технологическая подготовка производства, предполагающая разработку технологических процессов изготовления отдельных блоков и всей системы в целом.
Схемотехническое проектирование, как и другие перечисленные этапы, сводится к формированию описаний проектируемого РЭУ и состоит из отдельных проектных процедур, реализуемых с помощью пакетов прикладных программ автоматизированного проектирования и заканчивающихся частным проектным решением. Типичными для схемотехнического проектирования РЭУ проектными процедурами являются анализ и синтез их описаний на различных уровнях рассмотрения.
Процедура синтеза заключается в создании проектного решения (описания) по заданным требованиям, свойствам и ограничениям. Например, широко используются при проектировании РЭУ процедуры синтеза электронных схем по их заданным характеристикам в частотной или временной области. При этом проектирование рассматривается как последовательное решение двух задач: выбора структурной схемы, называемого структурным синтезом, и определения параметров ее элементов (обеспечивающих требуемые характеристики), называемого параметрическим синтезом.