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加速類比工具進展以實現混合訊號IC設計

上網時間: 2008年05月23日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:類比工具  混合訊號  IC設計 

一直到不久前,市場上絕大多數的IC不是純數位的就是純類比的。而如今,為了滿足成本、尺寸、重量和功耗等需求,類比和數位功能的複雜組合也同時被建置在‘混合訊號’元件上。

雖然傳統的類比設計和驗證工具經過多年發展後,在容量和性能上均已取得了很大進步,但是它們的基本架構絕大多數仍是基於1990年代中期的技術。數位工具目前已經發展到能夠提供高度自動化的水準,因而大幅提高了設計者的生產力;然而,類比工具所支援的自動化水準極低且大部份仍需以手動操作進行,整個過程耗時且容易出錯。

大約在1960年代初期,也就是數位IC設計早期,工程師用筆、紙和模版(偶爾還會用到餐廳的桌布)手繪線路圖。線路圖上顯示了用於建置設計的邏輯閘和功能符號,以及它們之間的連結。

同樣地,那些用來形成電晶體邏輯閘和互連的結構,也是手工繪製的。這些由很多簡單多邊形組成的圖隨後被用於光罩製程,接著進行實際晶片的生產。

數位設計自動化首先出現在1970年代的早期到中期,進行包括閘級電路圖擷取、事件導向模擬與自動佈局佈線等第一個層級的任務。在1980年代後期及90年代初期,設計師開始轉向更高的抽象層。邏輯合成技術已經可以用來將暫存器傳輸級(RTL)轉換成相應的閘級網表。這樣不僅提高了設計師的生產力,RTL與邏輯合成的整合也使得數位設計能夠更輕鬆地轉移到新的代工廠或製程節點。

最近推出的一些工具已能自動實現數位設計,如Magma的Talus環境;無論該數位設計規模有多大,從RTL到投片僅需兩天甚至更短的時間。

類比工具

在類比系統設計發展早期,電路同樣也是以手工繪製的,設計人員利用筆和紙繪製電晶體級電路圖。對於那些個別封裝的分離式元件,如電晶體、電阻、電容器和電感所組成的設計,設計人員通常需要建構該設計實體原型,將其放在測試工作台上,透過測量實際數據來確定該電路性能的好壞;然後,再調整零件值、增加或刪除所需要的零件來達到理想效果。

然而,對IC設計來說,重新投片非常昂貴。因此,在1960年代末到1970年代初,許多大學和商業公司著手開發類比模擬器。該計畫可以幫助學生和工程師在無需先搭建實際類比電路的情況下,就可以模擬類比電路的執行。SPICE或許是當時最具代表的模擬器,它是由加州大學柏克萊分校所開發而成,從1970年代起就受到業界的廣泛使用。

經過多年發展,類比模擬無論在基礎模型和演算法的成熟度,或是模擬引擎的容量和性能方面,都取得了長足發展。但即便如此,目前大多類比工具的構想還是停留在1990年代中早期的水準。它們所採用的基礎架構已經無法滿足混合訊號設計環境的先進需求。

也許更重要的是,目前的類比設計和驗證工具本質上僅限於擷取和模擬電晶體級電路圖。迄今為止,它們在自動化方面所取得的成功相當有限,如果要將現有設計有效地轉移到新的代工廠或技術節點,那麼就必須從頭開始重新建置整個電路。

混合訊號環境

首先也是最為重要的,在一個真正的混合訊號環境中,所有的類比/數位設計以及驗證引擎都得採用統一的資料庫。為了滿足目前高階混合訊號設計要求,這種解決方案很明顯地必須提供極高的容量和性能,例如在一分鐘甚至更短的時間內載入整個資料庫並在數秒內重新繪製類比/數位層級。而在全晶片級設計時,該設計環境必須在晶片的最終完成階段支援自動全局佈線;此外,系統還必須支援全晶片混合訊號擷取和模擬。

其次,必須進一步增強類比設計工具性能,使之提供與數位設計工具相同的自動化水準和生產力。例如,能在較高的抽象層級中具體說明類比功能,然後再將其自動合成為相當於電晶體級的電路,再執行類比微調及進行最佳化。最後,還必須可為類比設計實現自動化轉移到另一個製程節點或代工廠的過程。

在必須及時設計出大型且複雜混合訊號元件的能力方面,我們正面臨重大挑戰。先進的混合訊號晶片設計師們必須具備這些能力,而且是迫切地需要。

作者:Ashutosh Mauskar

客製設計業務部

產品與業務開發副總裁

Magma設計自動化公司





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