Spice仿真器：仿真速度和容量的提升

　　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級精度”。
　　??傳統(tǒng)的Spice仿真器在十萬個元件時就無能為力了，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)者使用仿真時的關(guān)鍵需求，他們要用仿真將自己的模擬、RF和混合信號設(shè)備推向市場。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)者為越來越多的產(chǎn)品增加RF/無線通信功能時，Spice只是仿真場景中的一部分。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，對于時域，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)的錯誤。
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　　Spice提速

　　對于Spice，關(guān)注的焦點(diǎn)是在提高速度的同時不喪失精度。為解決這個問題，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高級架構(gòu)師John Pierce稱，新仿真器將混合信號仿真的周轉(zhuǎn)時間從數(shù)天或數(shù)周減少到只有數(shù)小時。Cadence的一名高級產(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?。Kebebew說有20多個測試客戶已在200多個設(shè)計(jì)上對新仿真器作了測試，其中涉及的器件包括PLL（鎖相環(huán)）、DAC、ADC、存儲器、電源管理電路和高速I/O電路。她說，一個客戶在一個八核系統(tǒng)上作65 nm PLL設(shè)計(jì)仿真時，性能提高至原來的60倍。她補(bǔ)充說，另一個客戶在做一個DC/DC轉(zhuǎn)換器的版圖后仿真時，性能提高至58倍，運(yùn)行時間從20小時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，要得到更快的仿真，客戶可以使用ADiT快速Spice仿真器，不過要付出一些精度的成本。一個ADiT與Eldo接口可以使電路同時運(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）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，宣布了對其HSpice核心引擎技術(shù)的增強(qiáng)以及新的多線程能力。Synopsys混合信號仿真產(chǎn)品營銷總監(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，HSpice是第一個遷移的產(chǎn)品。他說，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)符號的直流工作點(diǎn)收斂算法、瞬態(tài)時間步長控制、網(wǎng)表分析，以及模型性能。對于多核處理器，該軟件版能夠仿真包括100萬個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（臺積電制造公司）在TMI（TSMC建模接口）方法上展開合作，包括一個將客戶器件模型與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間和內(nèi)存使用減至五分之一，并且同時考慮了機(jī)械應(yīng)力對硅片的作用和版圖相關(guān)性，后者會根據(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)載分配給多臺計(jì)算機(jī)，增加了速度與容量，并保持了精度。他說，通過該方案“客戶能夠用實(shí)際可行數(shù)量的計(jì)算機(jī)做成千上萬個器件的仿真，只用8臺計(jì)算機(jī)而不是用100臺計(jì)算機(jī)?！?br>
　　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，但仍會繼續(xù)有對快速Spice實(shí)現(xiàn)的需求。Moore說：“在一個設(shè)計(jì)過程的不同階段，對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，就希望收緊對精度的要求。很多大型設(shè)計(jì)都有數(shù)百萬只晶體管；你可能會在多只CPU上用我們的Spice引擎作仿真，對一個簽核（sign-off）仿真這種方法可能很好?！钡硎緦τ诨貧w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)域受到了來自相對較新成員的競爭，有時這模糊了真正Spice與快速Spice之間的界限。Berkeley設(shè)計(jì)自動化公司的首席運(yùn)營官Paul Estrada說，快速Spice工具傾向于用精度換取速度。不過，制造商經(jīng)常在“Spice-accurate”（Spice級精度）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)于其開發(fā)人員不需要嘗試優(yōu)化原有代碼。他說：“深入觀察今天的任何Spice引擎，你會發(fā)現(xiàn)，它們的基本結(jié)構(gòu)像一個老鼠窩。每個東西都與其它東西互相交織，如果你試圖改進(jìn)仿真器的一個方面，那就總會把其它方面搞糟?！盇nalog Fast Spice采用一種模塊化架構(gòu)，可以對每個模塊作優(yōu)化，而不會干擾其它模塊。展望未來，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提高性能。該公司銷售與營銷副總裁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。他表示，Gemini的整體多線程Spice可提供兩至十倍的性能提升，而不會累及精度?！拔覀兘棺约旱脑O(shè)計(jì)者使用任何有可能犧牲Spice精度的技術(shù)?！盙emini仿真器在90%的基準(zhǔn)測試中超過了快速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，從單個塊到全芯片，以及從版圖前到版圖后。據(jù)該公司高級營銷總監(jiān)Anand Lyer表示，RASer針對做全系統(tǒng)仿真的關(guān)鍵需求，避免了硅片的重制（re-spin）要求。他說：“傳統(tǒng)的Spice仿真器在數(shù)十萬個元件時就無能為力了，即使采用并行處理，容量也不會增加?！?br>
　　此時早晚得用類似快速Spice的方案。Syed說：“我們就像快速Spice那樣將一個電路拆成小部分，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)注提升每個線程的速度。Syed說：“很多公司正在開發(fā)在Spice上的多核算法，并且，這些公司已放棄了對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，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，就必須對一個電路運(yùn)行數(shù)千次仿真，很容易從一個指令臺處理這些仿真運(yùn)行。”他補(bǔ)充說，這是在仿真工作級，而不是電路級，此時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，同時支持行為模型和器件級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的設(shè)計(jì)反復(fù)，而對自下至上方案，當(dāng)設(shè)計(jì)周期后期出現(xiàn)系統(tǒng)集成問題時，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會使用行為建模技術(shù)，他們可能使用The MathWorks的Matlab來計(jì)算系數(shù)，但迄今為止，他們在Spice編程環(huán)境中還缺乏一種行為語言。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)，并且無需漫長的運(yùn)行時間而完成仿真。表1給出了仿真一個PLL的相對CPU時間，其元件表示為Spice與Verilog-A模型的各種組合。

　超越Spice

　　即便一個芯片設(shè)計(jì)經(jīng)過了徹底的仿真與驗(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)（見附文《EM仿真：從PCB到直升機(jī)》）。Ansoft業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)Larry Williams詳述了一個半導(dǎo)體制造商的故事，它的器件裝在一塊評估板上，評估板有良好隔離的走線，并用大量的電源層和地層來隔離信號。然而，當(dāng)該制造商的客戶將器件裝在一個微型消費(fèi)產(chǎn)品中時，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，芯片的射頻開始出現(xiàn)異常，產(chǎn)生不可接受的帶外偽響應(yīng)。Williams說：“我們對芯片、芯片封裝和電路板作了完整的系統(tǒng)級仿真，以揭示如何解決這個問題?！盇nsoft使用了該制造商對IC的Spice級模型，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：“我們在自己的環(huán)境中將三者全部結(jié)合起來，可以預(yù)測到這些毛刺?！?br>?

　　Ansoft的產(chǎn)品包括HFSS（高頻仿真器系統(tǒng)），它可以對高頻高速元件作三維電磁場仿真，還有SIwave（信號完整性波），它使工程師能夠直接從器件版圖數(shù)據(jù)庫（即物理CAD）中提取出電源分配與信號網(wǎng)表與頻率有關(guān)的電路模型，協(xié)助判斷信號完整性和電源分配問題（圖2）。Williams說：“我們解決了很多嚴(yán)重問題?！彼a(bǔ)充說，滿足SI很重要，“各個公司都在設(shè)置SI部門，以確?？煽康碾娦阅??？匆幌卢F(xiàn)在任何一臺手持電子設(shè)備，它可能有多個射頻，很多數(shù)字內(nèi)容能提供豐富的用戶體驗(yàn)。它會工作在節(jié)能的低電壓下，而數(shù)字信號也因此對耦合更為敏感。我們讓一個工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)讀入一個PCB模型，與IC封裝模型的提取相耦合，將所有東西級聯(lián)起來，完成一次整體的系統(tǒng)級仿真?！?br>
　　EEsof的工具包括ADS（先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)），其起源是惠普一個開發(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)過程的兩個方面的實(shí)例：前端，它包括針對性能和成本的系統(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)。上個月，Agilent宣布設(shè)計(jì)者可以從ADS的仿真或Agilent的測試測量儀器中生成X參數(shù)，以加快通信產(chǎn)品的開發(fā)。Yap稱，X參數(shù)可節(jié)省大量時間。有了X參數(shù)，設(shè)計(jì)者就可以獲得一個仿真中使用的模型。否則要做數(shù)月的特性描述，生成大量難以解析的圖表。

　　對于未來，Yap認(rèn)為會繼續(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)品正在無線化，并且在緊湊型產(chǎn)品中，天線一般在PCB板上。他說，在交付實(shí)際硬件制造以前發(fā)現(xiàn)潛在問題的能力非常關(guān)鍵。

　附文：EM仿真：從PCB到直升機(jī)

　　隨著產(chǎn)品日益復(fù)雜，工作頻率越來越高，研究信號與功率完整性問題，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，通過自動優(yōu)化和對某個問題采用最適當(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。它帶有一個瞬時熱解算器，可仿真加熱過程，并用一個生物熱方程作生理冷卻效應(yīng)的逼真建模。