模擬與RF仿真工具提供各種仿真速度的選擇，并支持分層的設(shè)計(jì)策略。

　　要點(diǎn)
　　??在將設(shè)計(jì)交付硬件實(shí)現(xiàn)以前，應(yīng)采用能夠使用矩量法和有限元分析技術(shù)的EM（電磁）域工具，解決鄰近效應(yīng)和轉(zhuǎn)換效應(yīng)問(wèn)題。
　　??快速Spice工具偏向于用精度換取速度，但制造商經(jīng)常聲稱這些工具有“Spice級(jí)精度”。
　　??傳統(tǒng)的Spice仿真器在十萬(wàn)個(gè)元件時(shí)就無(wú)能為力了，哪怕采用并行處理也不能提高容量。
　　??隨著消費(fèi)產(chǎn)品的制造商們努力以更低成本提供更高的功能密度，他們要在小體積內(nèi)塞進(jìn)數(shù)字、模擬和RF功能，這就產(chǎn)生了芯片、封裝和電路板的協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真需求。

　　速度、精度和易用性都是設(shè)計(jì)者使用仿真時(shí)的關(guān)鍵需求，他們要用仿真將自己的模擬、RF和混合信號(hào)設(shè)備推向市場(chǎng)。廣受尊重的Spice仿真器仍是模擬仿真工具的選擇，而EDA供應(yīng)商正在通過(guò)創(chuàng)新技術(shù)改進(jìn)自己工具的速度與精度，如使它們適合于多核處理器或多CPU系統(tǒng)的運(yùn)行。其它公司則正在重新編寫Spice算法，以加快仿真速度。當(dāng)然也有一些公司關(guān)注自頂向下的設(shè)計(jì)。

　　但當(dāng)設(shè)計(jì)者為越來(lái)越多的產(chǎn)品增加RF/無(wú)線通信功能時(shí)，Spice只是仿真場(chǎng)景中的一部分。隨著工藝尺度的縮小、數(shù)字電路速度的增加以及高速串行I/O端口的增多，不提供RF/無(wú)線功能的產(chǎn)品也正在具備RF性能。此外，在很多情況下，隨著頻率的上升以及設(shè)計(jì)者在越來(lái)越小的空間中塞入更多功能，芯片與電路板的設(shè)計(jì)也不能獨(dú)善其身；必須對(duì)芯片、芯片封裝和電路板采取協(xié)同設(shè)計(jì)和仿真。

　　How-Siang Yap是Agilent技術(shù)公司EEsof部EDA產(chǎn)品營(yíng)銷組成員，他概述了可以成為一種有效的協(xié)同仿真方案的跨域仿真技術(shù)（cross-domain-simulation）。首先他表示，需要數(shù)值域工具，如The MathWorks公司的Matlab，或Agilent公司的Ptolomy，以及C++、System-C和標(biāo)準(zhǔn)的HDL（硬件描述語(yǔ)言）。另外還需要頻域的交流仿真工具，它可以用S參數(shù)并實(shí)現(xiàn)諧波平衡技術(shù)。Yap補(bǔ)充說(shuō)，對(duì)于時(shí)域，需要Spice工具。他的建議是，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為硬件以前，應(yīng)采用EM（電磁）域工具，它可以使用矩量法（method-of-moment）和有限元分析技術(shù)，查找鄰近效應(yīng)和轉(zhuǎn)換效應(yīng)的錯(cuò)誤。
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　　Spice提速

　　對(duì)于Spice，關(guān)注的焦點(diǎn)是在提高速度的同時(shí)不喪失精度。為解決這個(gè)問(wèn)題，Cadence設(shè)計(jì)系統(tǒng)公司近期宣布推出了Cadence Virtuoso APS（加速的并行仿真器），這是它的下一代電路仿真器，是Cadence MMSIM（多模式仿真）7.1版的組成部分。Cadence高級(jí)架構(gòu)師John Pierce稱，新仿真器將混合信號(hào)仿真的周轉(zhuǎn)時(shí)間從數(shù)天或數(shù)周減少到只有數(shù)小時(shí)。Cadence的一名高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理Nebabie Kebebew表示，新仿真器大大提升了單線程和可縮放多線程的性能，并且保持了與Cadence Virtuoso Spectre電路仿真器相當(dāng)?shù)木取ebebew說(shuō)有20多個(gè)測(cè)試客戶已在200多個(gè)設(shè)計(jì)上對(duì)新仿真器作了測(cè)試，其中涉及的器件包括PLL（鎖相環(huán)）、DAC、ADC、存儲(chǔ)器、電源管理電路和高速I/O電路。她說(shuō)，一個(gè)客戶在一個(gè)八核系統(tǒng)上作65 nm PLL設(shè)計(jì)仿真時(shí)，性能提高至原來(lái)的60倍。她補(bǔ)充說(shuō)，另一個(gè)客戶在做一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器的版圖后仿真時(shí)，性能提高至58倍，運(yùn)行時(shí)間從20小時(shí)16分減少到21分鐘。
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　　Mentor Graphics公司也一直致力于提高仿真速度。該公司在2008年10月推出了新版的Eldo與Eldo RF晶體管級(jí)模擬仿真器，在不影響精度的情況下，提高了原始的速度性能。新版采用一種經(jīng)修改的矩陣解算策略以及一種可縮放的多線程技術(shù)，使用戶能夠充分利用廉價(jià)的多CPU硬件。

　　Mentor公司深亞微米業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Tony Liao指出，多線程的Eldo運(yùn)行速度為單核版的3倍~10倍以上，具體取決于電路中的有源器件數(shù)和寄生成分?jǐn)?shù)量。他說(shuō)，要得到更快的仿真，客戶可以使用ADiT快速Spice仿真器，不過(guò)要付出一些精度的成本。一個(gè)ADiT與Eldo接口可以使電路同時(shí)運(yùn)行兩種仿真器；需要高精度的部分在Eldo上運(yùn)行，另一部分則在ADiT上運(yùn)行。Liao指出，這些仿真器可與Mentor的ModelSim數(shù)字仿真器鏈接，支持協(xié)同仿真。仿真器與Mentor ICAnalyst的鏈接能幫助支持設(shè)計(jì)驗(yàn)證。另外，兩種仿真器都可以協(xié)同工作在Mentor公司的ADMS（先進(jìn)混合信號(hào)）仿真環(huán)境中（圖1）。
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　　Synopsys也致力于加快Spice速度，并在2008年3月推出HSpice仿真器時(shí)，宣布了對(duì)其HSpice核心引擎技術(shù)的增強(qiáng)以及新的多線程能力。Synopsys混合信號(hào)仿真產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)Geoffrey Ying表示，該公司正使全部工具都能配合多核處理器的優(yōu)勢(shì)，HSpice是第一個(gè)遷移的產(chǎn)品。他說(shuō)，有了多線程版，電路設(shè)計(jì)者現(xiàn)在運(yùn)行HSpice版圖后仿真的速度比單核處理器快兩倍，在四核處理器上更可以快達(dá)五倍。單核版的提速方式是改進(jìn)符號(hào)的直流工作點(diǎn)收斂算法、瞬態(tài)時(shí)間步長(zhǎng)控制、網(wǎng)表分析，以及模型性能。對(duì)于多核處理器，該軟件版能夠仿真包括100萬(wàn)個(gè)以上阻性和容性寄生效應(yīng)的版圖后設(shè)計(jì)。

　　Synopsys已經(jīng)與TSMC（臺(tái)積電制造公司）在TMI（TSMC建模接口）方法上展開(kāi)合作，包括一個(gè)將客戶器件模型與Synopsys HSpice、HSim與NanoSim電路仿真器相整合的協(xié)議。TMI方法為TSMC的40 nm及以下尺度工藝技術(shù)提供了一個(gè)創(chuàng)新而有效的器件建模方案。Ying稱TMI方法平均能將仿真時(shí)間和內(nèi)存使用減至五分之一，并且同時(shí)考慮了機(jī)械應(yīng)力對(duì)硅片的作用和版圖相關(guān)性，后者會(huì)根據(jù)與其它器件的接近程度，改變器件的特性。

　Magma設(shè)計(jì)自動(dòng)化公司采用多CPU，而不是多核心和多線程。Magma的定制設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)部業(yè)務(wù)發(fā)展高級(jí)總監(jiān)KT Moore稱，該公司的FineSim Spice充分利用了Magma的NPT（原生并行技術(shù)）將計(jì)算負(fù)載分配給多臺(tái)計(jì)算機(jī)，增加了速度與容量，并保持了精度。他說(shuō)，通過(guò)該方案“客戶能夠用實(shí)際可行數(shù)量的計(jì)算機(jī)做成千上萬(wàn)個(gè)器件的仿真，只用8臺(tái)計(jì)算機(jī)而不是用100臺(tái)計(jì)算機(jī)。”

　　雖然Spice的多線程和多計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法都提高了性能，但仍會(huì)繼續(xù)有對(duì)快速Spice實(shí)現(xiàn)的需求。Moore說(shuō)：“在一個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的不同階段，對(duì)精度的要求也有變化。在早期，你可以更關(guān)注于功能。當(dāng)你將設(shè)計(jì)集中于實(shí)際工作點(diǎn)和特性時(shí)，就希望收緊對(duì)精度的要求。很多大型設(shè)計(jì)都有數(shù)百萬(wàn)只晶體管；你可能會(huì)在多只CPU上用我們的Spice引擎作仿真，對(duì)一個(gè)簽核（sign-off）仿真這種方法可能很好。”但他表示對(duì)于回歸仿真或功能仿真，NPT才是你可能希望使用的工具。

　　傳統(tǒng)的EDA公司都在Spice領(lǐng)域受到了來(lái)自相對(duì)較新成員的競(jìng)爭(zhēng)，有時(shí)這模糊了真正Spice與快速Spice之間的界限。Berkeley設(shè)計(jì)自動(dòng)化公司的首席運(yùn)營(yíng)官Paul Estrada說(shuō)，快速Spice工具傾向于用精度換取速度。不過(guò)，制造商經(jīng)常在“Spice-accurate”（Spice級(jí)精度）的幌子下推出這些快速Spice工具。他表示，Berkeley設(shè)計(jì)自動(dòng)化公司的Analog Fast Spice是真正能提供快速Spice能力，并有等同于真正Spice精度的性能。Estrada稱，該工具不做近似。反之，它運(yùn)行的是原始器件方程，解算原始的全電路矩陣，產(chǎn)生的波形相當(dāng)于甚至優(yōu)于任何其它Spice引擎。

　　Analog Fast Spice提高了它在單核處理器上運(yùn)行的性能，Estrada將其性能水平歸結(jié)于其開(kāi)發(fā)人員不需要嘗試優(yōu)化原有代碼。他說(shuō)：“深入觀察今天的任何Spice引擎，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，它們的基本結(jié)構(gòu)像一個(gè)老鼠窩。每個(gè)東西都與其它東西互相交織，如果你試圖改進(jìn)仿真器的一個(gè)方面，那就總會(huì)把其它方面搞糟。”Analog Fast Spice采用一種模塊化架構(gòu)，可以對(duì)每個(gè)模塊作優(yōu)化，而不會(huì)干擾其它模塊。展望未來(lái)，該公司認(rèn)為多線程有更好的結(jié)果，但尚未推出多線程版本。

　　Gemini公司也采用多線程來(lái)提高性能。該公司銷售與營(yíng)銷副總裁Kent Jaeger稱，公司的目標(biāo)是95%的Spice精確工具和快速M(fèi)OS Spice市場(chǎng)。他表示，Gemini的整體多線程Spice可提供兩至十倍的性能提升，而不會(huì)累及精度。“我們禁止自己的設(shè)計(jì)者使用任何有可能犧牲Spice精度的技術(shù)。”Gemini仿真器在90%的基準(zhǔn)測(cè)試中超過(guò)了快速M(fèi)OS Spice仿真器的性能，運(yùn)行在采用64位 Linux操作系統(tǒng)的低價(jià)英特爾多核處理器上。

　　Infinisim公司從快速Spice借用了一些技術(shù)，而仍保持Spice的精度，這是該公司首席技術(shù)官Zakir Syed的表述。該公司的RASer（實(shí)時(shí)自適應(yīng)仿真）仿真器可用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證的全部階段，從單個(gè)塊到全芯片，以及從版圖前到版圖后。據(jù)該公司高級(jí)營(yíng)銷總監(jiān)Anand Lyer表示，RASer針對(duì)做全系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵需求，避免了硅片的重制（re-spin）要求。他說(shuō)：“傳統(tǒng)的Spice仿真器在數(shù)十萬(wàn)個(gè)元件時(shí)就無(wú)能為力了，即使采用并行處理，容量也不會(huì)增加。”

　　此時(shí)早晚得用類似快速Spice的方案。Syed說(shuō)：“我們就像快速Spice那樣將一個(gè)電路拆成小部分，然后為不同部分使用不同的解算器。在快速Spice中，你會(huì)失去精度，但是，我們使用的是Spice采用的精確器件模型。”

　　雖然Infinisim支持多線程，但該公司主要關(guān)注提升每個(gè)線程的速度。Syed說(shuō)：“很多公司正在開(kāi)發(fā)在Spice上的多核算法，并且，這些公司已放棄了對(duì)Spice的改進(jìn)。”他認(rèn)為，某些情況（如蒙特卡羅仿真）適用于多線程與分布式計(jì)算。此時(shí)，任何仿真都獨(dú)立于其它仿真。

　　Tanner EDA的產(chǎn)品管理總監(jiān)Nicolas Williams稱：“在模擬設(shè)計(jì)中，我們見(jiàn)到的迭代一般要運(yùn)行五次角落模型和溫度掃描。如果要做蒙特卡羅分析，就必須對(duì)一個(gè)電路運(yùn)行數(shù)千次仿真，很容易從一個(gè)指令臺(tái)處理這些仿真運(yùn)行。”他補(bǔ)充說(shuō)，這是在仿真工作級(jí)，而不是電路級(jí)，此時(shí)并行可以提供最大的好處。

　　Tanner的T-Spice仿真器面向大模擬、小數(shù)字芯片的設(shè)計(jì)。該公司集成了Verilog-A，同時(shí)支持行為模型和器件級(jí)Spice模型的仿真。Verilog-A支持自頂向下的設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)優(yōu)于模擬設(shè)計(jì)者過(guò)去經(jīng)常采用的自下至上方案。Williams稱自頂向下設(shè)計(jì)可以消除昂貴而耗時(shí)的設(shè)計(jì)反復(fù)，而對(duì)自下至上方案，當(dāng)設(shè)計(jì)周期后期出現(xiàn)系統(tǒng)集成問(wèn)題時(shí)，這種反復(fù)是必不可少的。

　　他指出，模擬設(shè)計(jì)者在使用依賴性資源時(shí)會(huì)使用行為建模技術(shù)，他們可能使用The MathWorks的Matlab來(lái)計(jì)算系數(shù)，但迄今為止，他們?cè)赟pice編程環(huán)境中還缺乏一種行為語(yǔ)言。Spice與行為模型的組合使設(shè)計(jì)者能夠?qū)Ｗ⒂趬K的設(shè)計(jì)，并且無(wú)需漫長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間而完成仿真。表1給出了仿真一個(gè)PLL的相對(duì)CPU時(shí)間，其元件表示為Spice與Verilog-A模型的各種組合。

　超越Spice

　　即便一個(gè)芯片設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)了徹底的仿真與驗(yàn)證，也不能保證在真正硅片誕生以后，該器件能正常地工作。硅片性能屈從于芯片封裝的EM效應(yīng)、封裝所安裝的電路板，或包含電路板的大尺度結(jié)構(gòu)（見(jiàn)附文《EM仿真：從PCB到直升機(jī)》）。Ansoft業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)總監(jiān)Larry Williams詳述了一個(gè)半導(dǎo)體制造商的故事，它的器件裝在一塊評(píng)估板上，評(píng)估板有良好隔離的走線，并用大量的電源層和地層來(lái)隔離信號(hào)。然而，當(dāng)該制造商的客戶將器件裝在一個(gè)微型消費(fèi)產(chǎn)品中時(shí)，走線靠得非常近，造成了更多的耦合，它的性能表現(xiàn)不正常。突然間，芯片的射頻開(kāi)始出現(xiàn)異常，產(chǎn)生不可接受的帶外偽響應(yīng)。Williams說(shuō)：“我們對(duì)芯片、芯片封裝和電路板作了完整的系統(tǒng)級(jí)仿真，以揭示如何解決這個(gè)問(wèn)題。”Ansoft使用了該制造商對(duì)IC的Spice級(jí)模型，作了三維提取，為IC的BGA封裝和PCB（印刷電路板）建立了模型。他說(shuō)：“我們?cè)谧约旱沫h(huán)境中將三者全部結(jié)合起來(lái)，可以預(yù)測(cè)到這些毛刺。”
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　　Ansoft的產(chǎn)品包括HFSS（高頻仿真器系統(tǒng)），它可以對(duì)高頻高速元件作三維電磁場(chǎng)仿真，還有SIwave（信號(hào)完整性波），它使工程師能夠直接從器件版圖數(shù)據(jù)庫(kù)（即物理CAD）中提取出電源分配與信號(hào)網(wǎng)表與頻率有關(guān)的電路模型，協(xié)助判斷信號(hào)完整性和電源分配問(wèn)題（圖2）。Williams說(shuō)：“我們解決了很多嚴(yán)重問(wèn)題。”他補(bǔ)充說(shuō)，滿足SI很重要，“各個(gè)公司都在設(shè)置SI部門，以確保可靠的電性能。看一下現(xiàn)在任何一臺(tái)手持電子設(shè)備，它可能有多個(gè)射頻，很多數(shù)字內(nèi)容能提供豐富的用戶體驗(yàn)。它會(huì)工作在節(jié)能的低電壓下，而數(shù)字信號(hào)也因此對(duì)耦合更為敏感。我們讓一個(gè)工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)讀入一個(gè)PCB模型，與IC封裝模型的提取相耦合，將所有東西級(jí)聯(lián)起來(lái)，完成一次整體的系統(tǒng)級(jí)仿真。”

　　EEsof的工具包括ADS（先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)），其起源是惠普一個(gè)開(kāi)發(fā)RF與微波儀器的小組。ADS 1.0于2000年面世，它使設(shè)計(jì)者能夠仿真有數(shù)字電路（包括DSP）的RF電路。該工具最初大量應(yīng)用于WLAN（無(wú)線局域網(wǎng)）設(shè)計(jì)，并繼續(xù)得到發(fā)展。隨著消費(fèi)產(chǎn)品的制造商努力以更低價(jià)格提供更高的功能密度，他們正在小體積中塞入數(shù)字、模擬與射頻功能，從而創(chuàng)造出用ADS作芯片、封裝和電路板協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真的需求。EEsof的Yap列舉了協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程的兩個(gè)方面的實(shí)例：前端，它包括針對(duì)性能和成本的系統(tǒng)分區(qū)優(yōu)化；后端，涉及如球樣式規(guī)劃與布線以及I/O優(yōu)化等因素。

　　他表示，最新的發(fā)展是支持非線性X參數(shù)。上個(gè)月，Agilent宣布設(shè)計(jì)者可以從ADS的仿真或Agilent的測(cè)試測(cè)量儀器中生成X參數(shù)，以加快通信產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。Yap稱，X參數(shù)可節(jié)省大量時(shí)間。有了X參數(shù)，設(shè)計(jì)者就可以獲得一個(gè)仿真中使用的模型。否則要做數(shù)月的特性描述，生成大量難以解析的圖表。

　　對(duì)于未來(lái)，Yap認(rèn)為會(huì)繼續(xù)努力將電磁仿真集成到設(shè)計(jì)流程中，從而從電路到天線的一切都作仿真。更多產(chǎn)品正在無(wú)線化，并且在緊湊型產(chǎn)品中，天線一般在PCB板上。他說(shuō)，在交付實(shí)際硬件制造以前發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題的能力非常關(guān)鍵。

　附文：EM仿真：從PCB到直升機(jī)

　　隨著產(chǎn)品日益復(fù)雜，工作頻率越來(lái)越高，研究信號(hào)與功率完整性問(wèn)題，以仿真EMC（電磁兼容）與EMI（電磁干擾）效應(yīng)也日益重要。CST（Computer Simulation Technology）的PCB（印刷電路板） Studio可以提供幫助，它支持二維與三維仿真，可以在時(shí)域與頻域中確定趨膚效應(yīng)。它可以輸入IBIS（I/O緩沖信息規(guī)范）模型，與Spice等效工具接口。CST的Cable Studio支持PCB與連接電纜的協(xié)同仿真。
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　　該公司將PCB Studio和Cable Studio整合到Studio Suite 2009 EM仿真軟件中，通過(guò)自動(dòng)優(yōu)化和對(duì)某個(gè)問(wèn)題采用最適當(dāng)?shù)慕馑慵夹g(shù)，提升了設(shè)計(jì)的吞吐能力（圖A）。Studio Suite 2009支持瞬態(tài)EM和電路協(xié)同仿真，它提供一個(gè)64位的前端和基于MPI（消息傳遞接口）的并行，加快了大型與復(fù)雜結(jié)構(gòu)的仿真速度。它帶有一個(gè)瞬時(shí)熱解算器，可仿真加熱過(guò)程，并用一個(gè)生物熱方程作生理冷卻效應(yīng)的逼真建模。