高性能集成电路设计
丁海强
技术部经理
美国安软公司上海代表处
前言
随着半导体工艺和技术的快速发展，市场竞争的不断加剧，对集成电路的设计者和代工生产线都提出了更高的要求。对于代工生产线来说，不仅要不断开发新的技术和工艺，提高器件的性能和成品率，还要为芯片的设计者建立和提供精确的仿真模型；对于芯片的设计者来说，不仅要根据芯片的功能和性能要求完成芯片的设计与综合，还要根据代工模型对芯片电路进行仔细的仿真验证，确保芯片的功能和性能指标，尽最大的可能保证一次流片成功，减少设计迭代，从而尽快将产品推向市场，降低设计成本，占得竞争中的优势地位。这对于代工生产者和芯片设计者来说无疑是一个双赢的结果。
在集成电路设计与生产的整个流程中，电子设计自动化软件（ＥＤＡ）工具无疑起着至关重要的作用，它已经成为集成电路设计者和生产者必不可少的工具，但是，随着电路复杂程度和技术指标的不断提高，设计者还必须考虑到集成电路布线及封装对器件性能的影响，使得电路仿真的规模越来越大，复杂度越来越高，从而对电路设计和仿真提出了更高的要求。高性能集成电路设计的挑战
现代高性能集成电路，特别是数模混合及射频集成电路。既包含了模拟部分，也包含了数字部分，如在通信和消费类电子中常见的压控振荡器（ＶＣＯ）、锁相环（ＰＬＬ）、混频器、滤波器、放大器、自动增益控制电路、数模转换器（ＤＡＣ）及模数转换器（ＡＤＣ）等，这些电路在设计和仿真时，不仅需要时域仿真结果，也需要频域的仿真结果，同时，电路的复杂程度较高、元器件的数量很多，往往超出传统ＥＤＡ工具的仿真的极限，设计者们被迫降低仿真的精度、深度和广度，从而带来设计上的风险，最终造成设计的多次迭代和项目延迟。
因此，为了满足现代高性能集成电路设计的要求，设计工具必须要具备新的仿真功能和仿真能力，包括：
仿真大规模电路的能力、收敛性和仿真速度
现代高性能集成电路往往在单一的芯片中集成了多项功能，这直接增大了电路的规模，同时，在设计和仿真时，还要考虑片上互连结构和封装寄生效应的影响，从而使仿真规模进一步扩大，这样的电路在传统的仿真工具中不仅仿真时间长，而且很难收敛。
在时域和频域进行仿真，并保持时域和频域结果的一致性
高性能集成电路，特别是数模混合及射频集成电路，其性能指标不仅有时域的，而且还有频域的，传统的工具要么采用时域法仿真，通过ＦＦＴ将结果转换到频域，导致频域结果精度低，动态范围小，无法满足仿真要求；要么采用频域的谐波平衡法仿真，在处理复杂波形时仿真速度很慢，收敛性差，无法仿真较大规模的电路。
与电磁场仿真工具相结合，精确仿真各种寄生电磁效应
现代高性能电路具有极快的开关速度，因此，对有源和无源器件的模型、片上互连结构的寄生效应、介质耦合效应、级间阻抗匹配、封装以及供电系统噪声等非常敏感，而这些寄生效应必须通过电磁场仿真工具才能准确地提取，然后与电路仿真工具相结合，评价寄生效－－一４７・－一
应对电路性能的影响。
与现有的仿真流程和仿真模型良好的兼容性
集成电路的设计已经形成了通行ＥＤＡ设计流程，作为新的仿真工具，必须能够良好地兼容现有的ＥＤＡＩ具和仿真模型，才能最大限度地减少工作量，包括模型和网表的转换，版图的输入和输出等，发挥各个ＥＤＡ工具的专长，精确、快速地获取所需的仿真结果，并对结果进行验证。
新一代时域／频域非线性电路仿真嚣Ｎｅｘｘｉｍ
Ｎｅｘｘｉｍ是美国Ａｎｓｏｉｔ公司针对现代高性能集成电路设计的新挑战开发出的新一代电路仿真器，不仅具备仿真大规模的能力，能够处理强非线性电路，而且计算速度快，精度高，是目前唯一能够对大规模、非线性电路进行晶体管级的单音、多音频域仿真及时域瞬态仿真的电路仿真工具。
Ｎｅｘｘｉｍ采用同样的器件模型和单一电路和模型，它能够从同一电路和模型出发，不仅能进行精确的时域仿真，还能进行谐波平衡法频域仿真，得到时域和频域仿真结果，并保持时域和频域仿真结果的一致性。
Ｎｅｘｘｉｍ是新的数值算法与现代软件工程技术相结合的产物，与现有其它商业软件工具相比，在仿真速度、精度和仿真能力方面有巨大的飞跃，Ｎｅｘｘｉｍ进行电路仿真时，软件内嵌器件模型和用户自定义模型具有同样的仿真速度，在包含多个自定义模型的大规模电路仿真时，其速度优势更加明显。
Ｎｅｘｘｉｍ与Ｈｓｐｉｃｅ、ＣａｄｅｎｃｅＳｐｅｃｔｒｅ网表／模型内在兼容，并且能够从ＣａｄｅｎｃｅＡＤＥ中直接启动并运行，完全嵌入到当前广泛采用的ＥＤＡ设计流程中；它可以和电磁场仿真工具ＨＦＳＳ，Ｑ３Ｄ，Ｓｌｗａｖｅ进行动态连接和协同仿真，充分考虑版图寄生效应，实现片上无源部件和集成电路封装的精确建模；它与ＡｎｓｏＲＤｅｓｉｇｎｅｒ设计环境完全集成，实现原理图输入、网表生成和编辑、仿真、与系统仿真和平面电磁场仿真的动态连接及结果的后处理，从而实现自顶而下的层次化设计流程。
工程仿真设计实例
１、锁相环电路设计／仿真
锁相环电路是典型的数模混合电路，它既包含了模拟的压控振荡器，环路放大器和环路滤波器及偏置电路，也包含了数字鉴相器，数字分频器等。锁相环电路的晶体管级仿真设计对于电路设计者来说是一项非常具有挑战性的工作。如图所示为锁相环电路在Ｎｅｘｘｉｍ中仿真的顶层电路结构和时域仿真结果
・一４８・一
－－一４９・一
集成电路设计者提供精确的仿真模型，但模型的数量和参数范围都有很大的限制，这在～定程度上制约了集成电路设计者的创造性。利用业界标准的三维全波电磁场工具ＨＦＳＳ，能够准确提取各种结构无源部件的模型．无缝地嵌入到Ａｎｓｏｆｌ高性能电路仿真设计工具Ｎｅｘｘｉｍ中，充分考虑无源部件的电磁特性，进行准确的设计。如图所示为平面螺旋电感的ＨＦＳＳ仿真模型及仿真结果与测试结果的比较。可见，ＨＦＳＳ的仿真结果具有相当高的准确性。对于代工生产者来说，利用ＨＦＳＳ虚拟原型的功能，避免通过实验方法建立无源部件模型时的大量时间、金钱消耗及困难的测量和去内嵌工作，直接得到精确的模型，并对部件的性能（品质因数等）进行优化。
小结
现代高性能集成电路设计对仿真工具提出了新的要求，Ａｎｓｏｔｔ新一代的电路设计工具Ｎｅｘｘｉｍ能够很好地应用于高性能射频和数模混合集成电路设计中，它不仅能够和现有的设计流程无缝集成和交互使用，在时域和频域仿真大规模的电路，而且能够动态链接业界标准的Ａｎｓｏｆｔ电磁场仿真工具ＨＦＳＳ，充分考虑版图和片上互连结构对电路性能的影响，提供准确的无源部件模型，为射频和数模混合集成电路的设计者们利代工生产者们提供了新的、精确而又功能强大的设计手段，为一次设计成功奠定基础。
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高性能集成电路设计
丁海强
技术部经理
美国安软公司上海代表处
前言
随着半导体工艺和技术的快速发展，市场竞争的不断加剧，对集成电路的设计者和代工生产线都提出了更高的要求。对于代工生产线来说，不仅要不断开发新的技术和工艺，提高器件的性能和成品率，还要为芯片的设计者建立和提供精确的仿真模型；对于芯片的设计者来说，不仅要根据芯片的功能和性能要求完成芯片的设计与综合，还要根据代工模型对芯片电路进行仔细的仿真验证，确保芯片的功能和性能指标，尽最大的可能保证一次流片成功，减少设计迭代，从而尽快将产品推向市场，降低设计成本，占得竞争中的优势地位。这对于代工生产者和芯片设计者来说无疑是一个双赢的结果。
在集成电路设计与生产的整个流程中，电子设计自动化软件（ＥＤＡ）工具无疑起着至关重要的作用，它已经成为集成电路设计者和生产者必不可少的工具，但是，随着电路复杂程度和技术指标的不断提高，设计者还必须考虑到集成电路布线及封装对器件性能的影响，使得电路仿真的规模越来越大，复杂度越来越高，从而对电路设计和仿真提出了更高的要求。高性能集成电路设计的挑战
现代高性能集成电路，特别是数模混合及射频集成电路。既包含了模拟部分，也包含了数字部分，如在通信和消费类电子中常见的压控振荡器（ＶＣＯ）、锁相环（ＰＬＬ）、混频器、滤波器、放大器、自动增益控制电路、数模转换器（ＤＡＣ）及模数转换器（ＡＤＣ）等，这些电路在设计和仿真时，不仅需要时域仿真结果，也需要频域的仿真结果，同时，电路的复杂程度较高、元器件的数量很多，往往超出传统ＥＤＡ工具的仿真的极限，设计者们被迫降低仿真的精度、深度和广度，从而带来设计上的风险，最终造成设计的多次迭代和项目延迟。
因此，为了满足现代高性能集成电路设计的要求，设计工具必须要具备新的仿真功能和仿真能力，包括：
仿真大规模电路的能力、收敛性和仿真速度
现代高性能集成电路往往在单一的芯片中集成了多项功能，这直接增大了电路的规模，同时，在设计和仿真时，还要考虑片上互连结构和封装寄生效应的影响，从而使仿真规模进一步扩大，这样的电路在传统的仿真工具中不仅仿真时间长，而且很难收敛。
在时域和频域进行仿真，并保持时域和频域结果的一致性
高性能集成电路，特别是数模混合及射频集成电路，其性能指标不仅有时域的，而且还有频域的，传统的工具要么采用时域法仿真，通过ＦＦＴ将结果转换到频域，导致频域结果精度低，动态范围小，无法满足仿真要求；要么采用频域的谐波平衡法仿真，在处理复杂波形时仿真速度很慢，收敛性差，无法仿真较大规模的电路。
与电磁场仿真工具相结合，精确仿真各种寄生电磁效应
现代高性能电路具有极快的开关速度，因此，对有源和无源器件的模型、片上互连结构的寄生效应、介质耦合效应、级间阻抗匹配、封装以及供电系统噪声等非常敏感，而这些寄生效应必须通过电磁场仿真工具才能准确地提取，然后与电路仿真工具相结合，评价寄生效－－一４７・－一
应对电路性能的影响。
与现有的仿真流程和仿真模型良好的兼容性
集成电路的设计已经形成了通行ＥＤＡ设计流程，作为新的仿真工具，必须能够良好地兼容现有的ＥＤＡＩ具和仿真模型，才能最大限度地减少工作量，包括模型和网表的转换，版图的输入和输出等，发挥各个ＥＤＡ工具的专长，精确、快速地获取所需的仿真结果，并对结果进行验证。
新一代时域／频域非线性电路仿真嚣Ｎｅｘｘｉｍ
Ｎｅｘｘｉｍ是美国Ａｎｓｏｉｔ公司针对现代高性能集成电路设计的新挑战开发出的新一代电路仿真器，不仅具备仿真大规模的能力，能够处理强非线性电路，而且计算速度快，精度高，是目前唯一能够对大规模、非线性电路进行晶体管级的单音、多音频域仿真及时域瞬态仿真的电路仿真工具。
Ｎｅｘｘｉｍ采用同样的器件模型和单一电路和模型，它能够从同一电路和模型出发，不仅能进行精确的时域仿真，还能进行谐波平衡法频域仿真，得到时域和频域仿真结果，并保持时域和频域仿真结果的一致性。
Ｎｅｘｘｉｍ是新的数值算法与现代软件工程技术相结合的产物，与现有其它商业软件工具相比，在仿真速度、精度和仿真能力方面有巨大的飞跃，Ｎｅｘｘｉｍ进行电路仿真时，软件内嵌器件模型和用户自定义模型具有同样的仿真速度，在包含多个自定义模型的大规模电路仿真时，其速度优势更加明显。
Ｎｅｘｘｉｍ与Ｈｓｐｉｃｅ、ＣａｄｅｎｃｅＳｐｅｃｔｒｅ网表／模型内在兼容，并且能够从ＣａｄｅｎｃｅＡＤＥ中直接启动并运行，完全嵌入到当前广泛采用的ＥＤＡ设计流程中；它可以和电磁场仿真工具ＨＦＳＳ，Ｑ３Ｄ，Ｓｌｗａｖｅ进行动态连接和协同仿真，充分考虑版图寄生效应，实现片上无源部件和集成电路封装的精确建模；它与ＡｎｓｏＲＤｅｓｉｇｎｅｒ设计环境完全集成，实现原理图输入、网表生成和编辑、仿真、与系统仿真和平面电磁场仿真的动态连接及结果的后处理，从而实现自顶而下的层次化设计流程。
工程仿真设计实例
１、锁相环电路设计／仿真
锁相环电路是典型的数模混合电路，它既包含了模拟的压控振荡器，环路放大器和环路滤波器及偏置电路，也包含了数字鉴相器，数字分频器等。锁相环电路的晶体管级仿真设计对于电路设计者来说是一项非常具有挑战性的工作。如图所示为锁相环电路在Ｎｅｘｘｉｍ中仿真的顶层电路结构和时域仿真结果
・一４８・一
－－一４９・一
集成电路设计者提供精确的仿真模型，但模型的数量和参数范围都有很大的限制，这在～定程度上制约了集成电路设计者的创造性。利用业界标准的三维全波电磁场工具ＨＦＳＳ，能够准确提取各种结构无源部件的模型．无缝地嵌入到Ａｎｓｏｆｌ高性能电路仿真设计工具Ｎｅｘｘｉｍ中，充分考虑无源部件的电磁特性，进行准确的设计。如图所示为平面螺旋电感的ＨＦＳＳ仿真模型及仿真结果与测试结果的比较。可见，ＨＦＳＳ的仿真结果具有相当高的准确性。对于代工生产者来说，利用ＨＦＳＳ虚拟原型的功能，避免通过实验方法建立无源部件模型时的大量时间、金钱消耗及困难的测量和去内嵌工作，直接得到精确的模型，并对部件的性能（品质因数等）进行优化。
小结
现代高性能集成电路设计对仿真工具提出了新的要求，Ａｎｓｏｔｔ新一代的电路设计工具Ｎｅｘｘｉｍ能够很好地应用于高性能射频和数模混合集成电路设计中，它不仅能够和现有的设计流程无缝集成和交互使用，在时域和频域仿真大规模的电路，而且能够动态链接业界标准的Ａｎｓｏｆｔ电磁场仿真工具ＨＦＳＳ，充分考虑版图和片上互连结构对电路性能的影响，提供准确的无源部件模型，为射频和数模混合集成电路的设计者们利代工生产者们提供了新的、精确而又功能强大的设计手段，为一次设计成功奠定基础。
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