如何應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)芯片中電磁場仿真挑戰(zhàn)

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）芯片工作頻段的增加和工作頻率的提高，面對多樣的芯片制造工藝， 更小的互聯(lián)線尺寸，如何才能實現(xiàn)電路寄生參數(shù)的精確提取？如何評估溫度和制造工藝偏差等對無源器件特性的影響？如何才能快速智能的收斂得到物聯(lián)網(wǎng)芯片電路設(shè)計中所需的無源器件？有沒有一套系統(tǒng)的分析方法，來應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)芯片中電磁場仿真的這些挑戰(zhàn)？

物聯(lián)網(wǎng)芯片市場概況

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）開啟了數(shù)百億互聯(lián)智能設(shè)備相互通信的潛力，僅2019年全球物聯(lián)網(wǎng)總連接數(shù)都已達到120億，預(yù)計到2025年全球物聯(lián)網(wǎng)總連接數(shù)規(guī)模將達到246億，而我國的物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)也將達到80.1億。截止到2020年，我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模已突破1.7萬億元。“物”隨“芯”聯(lián)，“芯”伴“物”動，物聯(lián)網(wǎng)芯片作為物聯(lián)網(wǎng)多應(yīng)用場景的核心，整個產(chǎn)業(yè)鏈的上游，預(yù)計其市場規(guī)模在2022年時將達到107.8億，銷售額的復(fù)合年增長率也有望達到13.3%。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景及特征分析

物聯(lián)網(wǎng)芯片設(shè)計中的挑戰(zhàn)

1 更多的工作頻段和更高的工作效率

相較與傳統(tǒng)通信設(shè)備中的通信芯片只負責連接和傳輸信號，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用場景有明顯的特殊性，覆蓋有線和無線通信模式，并且無線通信模塊也涉及從WiFi、BT（藍牙）、ZigBee的短距離通信到NB-IOT、LTE Cat1、5G等物聯(lián)網(wǎng)長距離通信網(wǎng)絡(luò)體系，無線通信類型種類繁多，涉及到需要支持的頻段及頻段組合也顯著增加，NB-IOT、5G等長距離通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也帶來了更高的工作頻率的要求。同時，物聯(lián)網(wǎng)芯片的射頻連接穩(wěn)定性、低成本和爆發(fā)式的需求增長又對電路設(shè)計者提出更高的要求。從物聯(lián)網(wǎng)芯片設(shè)計中無源參數(shù)提取的角度來看，在如此復(fù)雜的電磁應(yīng)用環(huán)境下，寄生參數(shù)的特性分析及電路中關(guān)鍵無源器件仿真精度等要求都給電磁仿真器帶來了更高的挑戰(zhàn)。

2 復(fù)雜的芯片制造工藝應(yīng)用場景

物聯(lián)網(wǎng)芯片設(shè)計中需要充分利用各種不同芯片制造工藝的優(yōu)勢，進而來提高電路的性能。目前主流的工藝包括CMOS， SOI和SiGe Bi-CMOS等。低功耗的CMOS工藝往往是電路設(shè)計者的首要的選擇，并且為了降低成本，其工藝節(jié)點越來越小。對于設(shè)計者來說，需要對不同芯片制造工藝下的襯底結(jié)構(gòu)、金屬層和介質(zhì)層材料等進行有針對性的建模，才能更好的對器件特性及寄生參數(shù)進行精準的模擬和提取。同時還要考慮，工藝節(jié)點引入的工藝偏差和環(huán)境溫度變化對器件特性產(chǎn)生的影響。這些分析要求電磁仿真工具具有更高的精確。

3 芯片多樣性和集成度增加

物聯(lián)網(wǎng)芯片設(shè)計中需要充分利用各種不同芯片制造工藝的優(yōu)勢，進而來提高電路的性能。目前主流的工藝包括CMOS， SOI和SiGe Bi-CMOS等。低功耗的CMOS工藝往往是電路設(shè)計者的首要的選擇，并且為了降低成本，其工藝節(jié)點越來越小。對于設(shè)計者來說，需要對不同芯片制造工藝下的襯底結(jié)構(gòu)、金屬層和介質(zhì)層材料等進行有針對性的建模，才能更好的對器件特性及寄生參數(shù)進行精準的模擬和提取。同時還要考慮，工藝節(jié)點引入的工藝偏差和環(huán)境溫度變化對器件特性產(chǎn)生的影響。這些分析要求電磁仿真工具具有更高的精確。

綜上所述，更多的工作頻段與更高的工作頻率，復(fù)雜的制造工藝，多樣性和集成度的增加，這三大特點給物聯(lián)網(wǎng)芯片設(shè)計帶來了很多難題，集中在：1.芯片寄生參數(shù)的特性分析；2.電路中關(guān)鍵無源器件精確仿真；3.工藝偏差和環(huán)境溫度變化對器件特性產(chǎn)生的影響；4.快速的設(shè)計收斂得到電路中所需的無源器件。接下來，我們將為您介紹目前行業(yè)里應(yīng)對上述難題主要的途徑——芯和物聯(lián)網(wǎng)芯片電磁仿真解決方案。

芯和物聯(lián)網(wǎng)芯片電磁仿真解決方案

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景廣泛多樣，包括物聯(lián)網(wǎng)連接和處理芯片，藍色虛線范圍內(nèi)是連接模塊設(shè)計，包括 RX/TX/RF/PA/LNA/Switch。本文我們介紹的解決方案希望能夠幫助電路設(shè)計者針對這些模塊進行高效的無源結(jié)構(gòu)仿真、建模、提取和優(yōu)化。

圖6 芯和物聯(lián)網(wǎng)芯片常用架構(gòu)設(shè)計電磁仿真解決方案

1 無源結(jié)構(gòu)的多工藝角快速提取

我們針對多工作頻段、高工作頻率和多工藝場景提供了一種基于 Cadence Virtuoso 設(shè)計平臺的電磁仿真提取工具 IRIS，它通過了所有主流晶圓廠在 CMOS/FinFET/SOI/SiG等多工藝節(jié)點上的嚴格認證。IRIS 結(jié)合3D全波求解技術(shù)，滿足從DC到毫米波段的提取精度要求。使用者可以靈活創(chuàng)建仿真單元模塊，然后運用多線程/多核技術(shù)、MPI多機處理技術(shù)將復(fù)雜的仿真問題分解，提高仿真的效率。IRIS軟件進行集成無源器件仿真分析時配合工藝角與溫度掃描模塊，可以達到快速了解工藝狀況和器件隨工藝變化的特性，對電路設(shè)計者預(yù)測由于工藝偏差而帶來的器件特性變化對最終電路性能的影響具有指導(dǎo)意義。

2 無源器件的高效建模

此外，我們的方案中還包括了一款基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的無源器件定制平臺iModeler。用戶利用這款工具中內(nèi)置的多套面向物聯(lián)網(wǎng)芯片設(shè)計中需要的電感、變壓器等模板可以快速創(chuàng)建PCell，然后依據(jù)個人設(shè)計經(jīng)驗在IRIS內(nèi)快速收斂得到滿足電路設(shè)計需求的無源器件版圖結(jié)構(gòu)，也可以利用模板內(nèi)的多種輔助選項，實現(xiàn)無源器件的正向和方向提取，進而獲取滿足電路設(shè)計要求的器件。

總結(jié)

本文介紹了物聯(lián)網(wǎng)芯片所具有的特征：更多的工作頻段和更高的工作頻率，復(fù)雜的多芯片制造工藝應(yīng)用場景，芯片多樣性和集成度增加，它們給芯片設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)。芯和半導(dǎo)體針對這些挑戰(zhàn)，推出了系統(tǒng)性的物聯(lián)網(wǎng)芯片電磁仿真解決方案：利用IRIS/iModeler軟件，實現(xiàn)了快速高精度的無源器件及互連寄生的電磁仿真，無源器件優(yōu)化建模等應(yīng)用，極大地提高了電路設(shè)計師的設(shè)計精準度和設(shè)計效率，提速產(chǎn)品市場投放。

責任編輯：haq