整合型混合信號EDA,，搭起數(shù)字/模擬設(shè)計橋梁
因應(yīng)混合信號設(shè)計需求與日俱增,，以單一數(shù)據(jù)庫且自動化程度高的全芯片混合信號設(shè)計、分析和驗證解決方案隨之而起,，透過模擬和數(shù)字仿真引擎的結(jié)合,，以及與芯片完工整修等其它工具的有效連結(jié),，來達(dá)到生產(chǎn)力與精確度的大幅提升。
直到最近,，絕大部分的IC本質(zhì)上還都是純數(shù)字(Purely Digital)或純模擬(Purely Analog)的設(shè)計,，因此,，早期以IC為主的電子系統(tǒng)一般都由許多相對簡單的模擬和數(shù)字芯片,，組裝在電路板上相互連接,。例如1970年代由摩托羅拉(Motorola)所發(fā)展出的第一臺行動電話Dyna-Tac，即是由兩個模擬芯片(其一是現(xiàn)貨,，另一是客制化組件)和十五個數(shù)字芯片(其中十三個是現(xiàn)貨,，另兩個是客制化組件)所組成。
由于早期的IC都是模擬式或數(shù)字式,，因此用來建立或驗證這些組件的計算機(jī)輔助設(shè)計工具,，也是針對數(shù)字領(lǐng)域或是模擬領(lǐng)域所量身訂做。
隨后,，為符合無線網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜要求,，并因應(yīng)使用者愈來愈多的功能需求：如MP3播放器、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS),、數(shù)字相機(jī)等,，類似行動電話等產(chǎn)品所使用的模擬及數(shù)字芯片數(shù)量不斷增加。
此外,，為了滿足成本,、大小、重量和電力消耗方面的需要,，業(yè)者也必須整合更多的功能,，以減少芯片數(shù)目。剛開始,，模擬功能的群組會合并到特定的模擬芯片上,，而數(shù)字功能的集合則合并到數(shù)字芯片上。近來則是將模擬和數(shù)字功能一起合并至單一的混合式信號(Mixed-signal)裝置中,。例如最新式的高階行動電話,，除少數(shù)微小且非常專屬的裝置外，通常只包含一顆容量較大,、性能較高的混合信號IC,，含有大量模擬和數(shù)字功能，再加上一顆特殊的射頻(RF)芯片,。
多年來,，雖然傳統(tǒng)的模擬、數(shù)字設(shè)計及驗證工具在容量及效能上有一定程度的進(jìn)展,，但基本架構(gòu)仍以1990年代中期的技術(shù)為基礎(chǔ),，而且仍然限于模擬或數(shù)字領(lǐng)域。舉例來說,，模擬和數(shù)字工具及設(shè)計流程使用不同的數(shù)據(jù)庫,，因此阻隔了兩個領(lǐng)域之間的信息交換，造成數(shù)字和模擬的設(shè)計團(tuán)隊大多各自為政，幾乎不了解對方在做什么,。
弄清數(shù)字/模擬/混訊/客制化設(shè)計定義
由于不同電子設(shè)計自動化(EDA)公司對于全客制化(Full-custom)和混合信號等用詞的認(rèn)知不盡相同,，為避免誤解，在此先說明本文定義,。所謂數(shù)字IC系指以離散(亦即非連續(xù))數(shù)值描述輸入,、處理、儲存,、輸出等信息的組件,；而模擬IC則是以連續(xù)變化的信號描述輸入、處理,、輸出等信息的組件,；混合信號IC則包含數(shù)字和模擬功能混合體的組件。
至于全客制化設(shè)計,，則是指構(gòu)成一個裝置或裝置中某一部分的晶體管(Transistor),、電阻(Resistor)等各組件的每一個幾何組件，大小和形狀都是個別以手工制作,。因此,，一般而言，模擬設(shè)計亦屬于全客制化設(shè)計,。相對的,，絕大部分的數(shù)字設(shè)計主要是使用預(yù)先定義的邏輯功能鏈接庫(Libraries of Logical Functions)，其中,，晶體管的大小和彼此間的連接已預(yù)先定義,。
有些純數(shù)字裝置如內(nèi)存芯片(Memory Chip)及高階微處理器(High-end Microprocessor)可能屬于全客制化的類別，但這些是特例,，通常只有高度客制化,、高度獨(dú)特性、專門性的設(shè)計環(huán)境支持,。
數(shù)字設(shè)計工具進(jìn)展快速
1960年代前期,，數(shù)字IC設(shè)計正值萌芽階段，電子電路都是以手工制作,，使用筆,、紙及模板，以手工繪制電路(原理)圖,，圖上有各種符號,，代表各個邏輯閘(Logic Gate)及功能，以及彼此之間的連接,。
每一個設(shè)計團(tuán)隊通常至少有一名成員精通于邏輯電路的最小化(Minimization)和最佳化(Optimization),，以便在最后階段將原本的閘極(Gate)改為功能相同,，但速度更快且/或面積更小的硅芯片。
功能驗證(Functional Verification)是為確保設(shè)計能夠符合原先規(guī)畫的功能,。一般而言是由一群工程師圍著一張桌子,，逐一檢視原理圖(Schematic)的所有功能，判斷是否有任何問題,。同樣地，時序驗證(Timing Verification)也是以筆,、紙進(jìn)行,，以確認(rèn)輸入到輸出及內(nèi)部路徑延遲符合設(shè)計要求，而且諸如設(shè)定和保留等參數(shù)與任何內(nèi)部緩存器均無違反時序,。少數(shù)時候,，這項作業(yè)可能會使用到機(jī)械或機(jī)電式計算器。
最后,，以手繪制整套的邏輯閘結(jié)構(gòu),，或更精確地說，構(gòu)成邏輯閘之晶體管及電阻的結(jié)構(gòu),，以及彼此間互連的藍(lán)圖,。然后，使用這些由正方形及矩形等簡單幾何形狀構(gòu)成的藍(lán)圖來建立光罩,，據(jù)以制造實際的硅芯片,。
從以上描述與先前定義來看，此款數(shù)位IC會歸類為「全客制化」,，因為構(gòu)成晶體管,、電阻等各組件的每一個幾何組件的大小和形狀系個別以手工制作。
然而,，以手工方式設(shè)計極為耗時且容易出錯,，亟須加以改善，許多公司及學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)因而投入各種不同的研究方向,，彼此競爭,。以原理圖設(shè)計為例，閘極級(Gate-level)的原理圖設(shè)計(Schematic Capture)軟件包開始出現(xiàn),，功能驗證方面,，1960年代晚期和1970年代初，開始出現(xiàn)事件驅(qū)動邏輯仿真器(Event-driven Logic Simulator)形式的特殊程序,。
在閘極抽象層建立數(shù)字設(shè)計,，可以比擬為使用匯編語言建立軟件程序，就匯編程序的效率及所需的計算機(jī)內(nèi)存而言,，是很好的選擇,，但在設(shè)計及驗證上要花費(fèi)很長的時間，而且很不容易移植到另一臺計算機(jī)。同樣地,，閘極抽象層在設(shè)計及驗證上非常費(fèi)時,，而且不容易移植到新的代工廠或制程/技術(shù)節(jié)點(diǎn)(Technology Node)。
軟件方面,，程序開發(fā)者的解決辦法是改用高階的程序語言,，例如C語言，再將這些高級語言編譯成計算機(jī)所需要的機(jī)器指令,，優(yōu)點(diǎn)是可以使軟件開發(fā)人員迅速精準(zhǔn)地捕捉程序的意圖并驗證其功能,，此外，以C語言撰寫的程序很容易移植到其它計算機(jī)平臺,。
同樣地,，數(shù)字邏輯方面，設(shè)計人員開始采用進(jìn)一步的抽象設(shè)計,，稱為緩存器轉(zhuǎn)移級(Register Transfer Level, RTL),。1980年代晚期及1990年代初登場的邏輯合成，可將RTL解譯成對應(yīng)的閘極級通訊匣層電路表(Gate-level Netlist),?！盖岸恕沟暮铣杉夹g(shù)及能夠取得閘極級通訊匣層電路表，以及具體實施設(shè)計的「后端」自動布局繞線引擎,，兩者相輔相成,。
就小型的設(shè)計而言，使用合成引擎(Synthesis Engine)不一定能夠獲得與手工設(shè)計一樣好的閘極抽象層,，但能夠迅速簡潔地捕捉設(shè)計意圖,，因此可大幅提升設(shè)計人員的生產(chǎn)力。此外,，合成引擎能夠自動在速度(效率)及面積之間作取舍,，加上識別及處理關(guān)鍵路徑的能力，因此合成引擎可回報更好的整體結(jié)果給設(shè)計人員,。正如同將C語言的程序編譯用于不同的計算機(jī),，RTL及邏輯合成使數(shù)字設(shè)計更容易移植到新的代工廠或制程/技術(shù)節(jié)點(diǎn)。
模擬設(shè)計工具進(jìn)化牛步
相較比數(shù)位電路的同類型工具,，模擬電路的計算機(jī)輔助設(shè)計及驗證工具,，更早出現(xiàn)，在模擬電子系統(tǒng)設(shè)計的初期,，電子電路是靠手工建立,。晶體管層級(Transistor-level)的原理圖是使用筆、紙及模板以手工繪制,，并初步的進(jìn)行「筆紙」分析和驗證,。
例如晶體管,、電阻器、電容器和電感器等離散式(個別封裝)組件建構(gòu)的設(shè)計,，通常都會依設(shè)計建造實體的原型件,，把它放到測試臺上，量測實際的數(shù)值以決定其性能,，然后調(diào)校組件的數(shù)值,，必要時增加/移除組件，以達(dá)到預(yù)期效果,。
顯然,，對于建造第一個模擬IC而言，這種方式并不理想,，因為重作IC設(shè)計的成本極高，因此,，在1960年代晚期和1970年代初,，有些大學(xué)及公司開始著手模擬仿真器(Analog Simulator)設(shè)計，藉由這些程序,，學(xué)生及工程師可仿真模擬電路運(yùn)作,，不須實際建造。早期的仿真器中,，最著名的應(yīng)是集成電路仿真程序(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis, SPICE),，這套程序是由加州大學(xué)柏克萊分校所開發(fā)，在1970年代初開始廣泛應(yīng)用,。
經(jīng)過多年的演進(jìn),，模擬模擬在復(fù)雜的下層模型、算法,、仿真引擎的容量以及性能等方面有極大的進(jìn)展?，F(xiàn)在大部分使用的模擬工具，其構(gòu)想都可追溯至1990年代早期及中期,，這些工具的底層架構(gòu)原本即非針對混合信號設(shè)計環(huán)境的復(fù)雜需求所設(shè)計,。
更重要的是，現(xiàn)今模擬設(shè)計及驗證工具本質(zhì)上只限于設(shè)計及仿真晶體管層級的原理圖,。截至目前,，包括將模擬功能高度抽象化進(jìn)而產(chǎn)生晶體管層級的設(shè)計，模擬電路自動最佳化,，和模擬電路自動布局與繞線(Placed and Route)等方面,，進(jìn)展不大。以致于現(xiàn)今模擬IC大部分仍是全客制化,，以手工辛苦打造,，不僅成本高,、耗時且容易出錯，這種晶體管層級的設(shè)計方式,，也無法輕易轉(zhuǎn)移至新的代工廠或制程/技術(shù)節(jié)點(diǎn),。
混合信號工具問題重重
截至目前，在真正的混合信號設(shè)計工具的進(jìn)展上仍相當(dāng)緩慢,。如前所述,，為符合成本、大小,、重量及電力消耗等需求,，模擬及數(shù)字功能已逐漸結(jié)合至單一的混合信號裝置中，為實踐這類設(shè)計,，多家EDA公司正致力把既有的模擬和數(shù)字仿真引擎「結(jié)合」在一起,。就連以往專精于數(shù)字設(shè)計的公司，也開始購買成熟的模擬解決方案,，來解決此一問題,，并藉以獲得更多模擬客戶，提高市場占有率,。
不過,，這種做法卻容易使得一些不適合整合的個別工具被勉強(qiáng)拼湊在一起。例如,，模擬及數(shù)字工具使用不同的數(shù)據(jù)庫,，非常不利于兩個領(lǐng)域之間的信息交換。此外,，如前所述,，現(xiàn)今大部分的模擬工具都可追溯至1990年代早期及中期，其底層架構(gòu)從一開始就非針對混合信號設(shè)計環(huán)境所發(fā)展,。
相較于數(shù)字設(shè)計已可達(dá)到45奈米的技術(shù)節(jié)點(diǎn),，多數(shù)的模擬設(shè)計至今仍采用5～10年前的制程技術(shù)，如130奈米和250奈米技術(shù)節(jié)點(diǎn),；最新進(jìn)的制程也僅到90奈米,，主要因為模擬設(shè)計的移植必須從頭開始創(chuàng)建電路。此外,，即使使用今日最新技術(shù)的混合信號及全客制化設(shè)計環(huán)境,，數(shù)字和模擬設(shè)計團(tuán)隊多半還是各自為政，幾乎不了解對方作業(yè)內(nèi)容,。這兩個領(lǐng)域的首度接觸,，往往是發(fā)生在芯片完工整修(Chip Finishing)制程中，亦即模擬和數(shù)字區(qū)塊的布局及繞線時,。
芯片完工整修制程通常是以手工執(zhí)行,，有數(shù)項工作是在芯片光罩設(shè)計完成的前一個步驟進(jìn)行,。由于缺乏自動化，芯片完工整修的活動和動作通常無法回饋給主設(shè)計,，因而易導(dǎo)致設(shè)計的再利用性不佳,。
提高設(shè)計工具整合度與自動化效能
為解決混合信號設(shè)計工具所面臨的問題，EDA業(yè)者藉由結(jié)合SPICE和Fast SPICE兩者的性能優(yōu)點(diǎn),，推出新一代電路仿真器FineSim SPICE,，可在兼顧SPICE仿真器準(zhǔn)確性的前提下，加快仿真和分析速度,。FineSim SPICE采用先進(jìn)的原生平行技術(shù)(Native Parallel Technology, NPT)算法,，能夠透過多顆中央處理器(CPU)并行處理，實現(xiàn)線性加速及擴(kuò)充容量,。
現(xiàn)在,，EDA業(yè)者也正推動真正統(tǒng)一、自動,、全芯片的混合信號設(shè)計,、分析和驗證解決方案，希望藉由更高的整合性和自動化程度,，大幅提升芯片完工修整,、模擬/客制化數(shù)字設(shè)計等領(lǐng)域的產(chǎn)量(圖1),。此套名為Titan的工具顯著提升芯片完工整修制程的時程關(guān)鍵性(Schedule-critical)功能,，在效率與可預(yù)測性方面獲得重大進(jìn)展，移除現(xiàn)行客制化布局和標(biāo)準(zhǔn)單元(Standard-cell)實作系統(tǒng)之間費(fèi)時又復(fù)雜的循環(huán),，并透過一條實時聯(lián)機(jī),，使標(biāo)準(zhǔn)單元數(shù)據(jù)庫與每一次的客制化布局編輯保持同步，將標(biāo)準(zhǔn)單元系統(tǒng)封裝在整個系統(tǒng)中(圖2),。
圖1 Titan透過整合及自動化提高產(chǎn)量
圖2 傳統(tǒng)設(shè)計環(huán)境中,，客制化布局與標(biāo)準(zhǔn)單元布局及繞線之間的循環(huán)可能成為芯片完工整修的弱點(diǎn)。
在標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計規(guī)則檢查(DRC)/布局與原理圖對照(LVS)無誤且設(shè)計通過全部的簽核分析檢查后,，流程的布局及繞線部分便告完成,。此時，標(biāo)準(zhǔn)單元數(shù)據(jù)庫必須以某種標(biāo)準(zhǔn)格式(例如GDSII)匯出,，然后匯入一個包含所有制造層的全客制化系統(tǒng)中,。
簽核DRC之前，要先加入光罩設(shè)計必要的客制化布局結(jié)構(gòu),，例如覆晶凸塊(Flip-chip Bump)連接及頂層繞線(Top-layer Routing),，并規(guī)畫對準(zhǔn)靶材(Alignment Target)和畫線網(wǎng)線等，再于客制化環(huán)境中執(zhí)行DRC簽核,。這些工作完成后,，必須回到布局及繞線環(huán)境,，針對所有會影響布局及繞線區(qū)域的變更，重新進(jìn)行驗證,。因此,，設(shè)計人員必須反復(fù)回到布局及繞線系統(tǒng)，也就須要再次執(zhí)行繁瑣的數(shù)據(jù)匯出和匯入作業(yè),。更嚴(yán)重的是,，這個階段如果要求執(zhí)行工程變更命令(ECO)，就必須再次反復(fù)執(zhí)行循環(huán),，以分析驗證任何變更,。
為減少此一困擾，Titan透過與其它設(shè)計引擎如Talus的有效連接,，以及DRC/LVS分析及驗證引擎的緊密整合,，來避免執(zhí)行前述循環(huán)的需要?？椭苹季汁h(huán)境中只要有所變更,，Talus便會得知，立即可以重新執(zhí)行簽核檢查,，而且毋須傳送數(shù)據(jù)庫,，標(biāo)準(zhǔn)單元數(shù)據(jù)仍然是在Talus的內(nèi)存中，客制化數(shù)據(jù)則在Titan的客制化環(huán)境中,。
正如整合到數(shù)字布局及繞線系統(tǒng)可大幅提高效率,，Titan也使模擬及特殊信號繞線的自動化和標(biāo)準(zhǔn)化向前邁進(jìn)一大步，透過直覺式的應(yīng)用布局條件,，以互動的方式定義或完全透過指令碼進(jìn)行自動化,，其可在數(shù)秒內(nèi)完成總線繞線(Bus Routing)、屏蔽(Shielding),、偏差分對繞線(Differential Pair Routing),、星形繞線(Star Routing)和其它特殊的繞線，毋須以手工方式耗費(fèi)數(shù)日的時間,。這點(diǎn)對于ECO而言尤其重要,，因為重新繞線能夠自動執(zhí)行，不會延誤時程,。
除具備完整的芯片完工整修能力外,，Titan也可和寄生提取標(biāo)準(zhǔn)工具QuickCap TLx緊密整合于FineSim電路仿真器，以便在真正的混合信號設(shè)計方面,，達(dá)成全芯片電路仿真(Full-chip Circuit Simulation),，為設(shè)計的模擬部分提供SPICE的精確度，數(shù)字部分則可達(dá)到Fast SPIE的精確度,，讓模擬及數(shù)字接口能夠充分仿真驗證后,，再制造出實際的硅芯片,。
另一方面，可完全編寫指令碼的Tcl/Tk接口以及一個整合式圖形使用者接口(GUI),，亦是現(xiàn)今混合信號設(shè)計工具不可或缺的功能,，以便利用選單、快速鍵,、浮動式控制板等,，對設(shè)計進(jìn)行全部的檢視、編輯,、繞線及驗證,，讓設(shè)計的模擬和數(shù)字部分的原理圖、布局,、DRC錯誤,、寄生值(Parasitic Values)等擁有完整除錯功能。
顯而易見的,，基于統(tǒng)一,、自動、全芯片的混合信號設(shè)計解決方案,，將為日益復(fù)雜的模擬及混合信號IC設(shè)計帶來新的生產(chǎn)力和價值,。
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