混合信號(hào)設(shè)計(jì)

就在不久前，市場(chǎng)上的絕大多數(shù)IC從本質(zhì)上說，不是純數(shù)字電路就是純模擬電路。而如今，為了滿足成本、尺寸、重量和功耗等方面的要求，復(fù)雜的模擬和數(shù)字功能組合出現(xiàn)在了“混合信號(hào)”器件上。

雖然傳統(tǒng)的模擬設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工具經(jīng)過多年發(fā)展已經(jīng)在容量和性能上取得了很大進(jìn)步，但是它們的基本架構(gòu)在很大程度上卻仍然是基于上世紀(jì)90年代中期的技術(shù)。數(shù)字工具目前已經(jīng)發(fā)展到能夠提供高度自動(dòng)化的水平，從而極大提高了設(shè)計(jì)者的產(chǎn)能。與其不同，模擬工具所支持的自動(dòng)化水平極低，而模擬設(shè)計(jì)工作也仍然在很大程度上依賴手工作業(yè)，整個(gè)過程耗時(shí)且容易出錯(cuò)。

大約在上世紀(jì)60年代初，也就是數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)的早期，工程師用鋼筆在紙和蠟紙(偶然還會(huì)用到餐廳的桌布)上繪制原理圖。原理圖上顯示了用于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的邏輯門和功能符號(hào)，以及它們之間的連線。

同樣地，那些用來形成晶體管邏輯門的結(jié)構(gòu)和互連，也是手工繪制的。這些由很多組簡(jiǎn)單多邊形組成的繪圖，后來被用于制造光掩膜，又被用來制造實(shí)際的硅片。

數(shù)字設(shè)計(jì)自動(dòng)化首先出現(xiàn)在上世紀(jì)70年代的早期到中期，涉及到門級(jí)電路原理圖輸入(schematic capture)、事件驅(qū)動(dòng)型仿真，以及自動(dòng)布局布線。在80年代后期和90年代初期，設(shè)計(jì)師開始轉(zhuǎn)向更高的抽象層。邏輯綜合技術(shù)已經(jīng)可以用來將寄存器傳輸級(jí)(RTL)描述轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的門級(jí)網(wǎng)表。這樣不僅提高了設(shè)計(jì)師的產(chǎn)能，將RTL和邏輯綜合進(jìn)行結(jié)合也使得數(shù)字設(shè)計(jì)很容易向新的代工廠或工藝節(jié)點(diǎn)移植。

最近推出的一些工具，如Magma的Talus環(huán)境，可以在自動(dòng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)數(shù)字設(shè)計(jì)，從RTL到出帶僅需兩天甚至更短時(shí)間，而且不管這個(gè)數(shù)字設(shè)計(jì)的規(guī)模有多大。

模擬工具

在模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展的早期，電路同樣是利用手工繪制的。設(shè)計(jì)人員利用鋼筆和紙繪制晶體管級(jí)電路圖。對(duì)于那些由分立(單個(gè)封裝)器件，如晶體管、電阻、電容和電感組成的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員通常需要構(gòu)建該設(shè)計(jì)的物理原型，將其放在測(cè)試工作臺(tái)上，通過測(cè)量實(shí)際數(shù)據(jù)來確定該電路性能的好壞;然后，再通過調(diào)整元器件值、增加或刪除所需要的元器件來達(dá)到理想效果。

然而對(duì)IC設(shè)計(jì)來說，重新流片非常昂貴。因此，在上世紀(jì)60年代末到70年代初，許多大學(xué)和商業(yè)公司著手開發(fā)模擬仿真器。該項(xiàng)目可以幫助學(xué)生和工程師在無需首先搭建實(shí)際模擬電路的情況下，就可以仿真模擬電路的運(yùn)行。SPICE或許是早期最有名的仿真器，它由加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)而成，從上世紀(jì)70年代起就得到了廣泛使用。

經(jīng)過多年發(fā)展，模擬仿真無論在基礎(chǔ)模型和算法的成熟性，還是仿真引擎的容量和性能方面，都取得了長(zhǎng)足發(fā)展。但即便如此，目前大多數(shù)模擬工具還是停留在上世紀(jì)90年代中早期的水平。它們所采用的基礎(chǔ)架構(gòu)，已經(jīng)無法滿足混合信號(hào)設(shè)計(jì)環(huán)境的復(fù)雜要求。

也許更重要的是，目前的模擬設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工具從本質(zhì)上還僅僅局限于捕獲和仿真晶體管級(jí)原理圖。迄今為止，它們?cè)谧詣?dòng)化方面所取得的成功相當(dāng)有限，而且將現(xiàn)有設(shè)計(jì)向新代工廠或技術(shù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效轉(zhuǎn)移，則需要從頭開始重新實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路。

真正的混合電路

首先也是最為重要的，在一個(gè)真正的混合信號(hào)環(huán)境中，所有的模擬/數(shù)字設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證引擎，應(yīng)該采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)。為了滿足當(dāng)前高端混合信號(hào)設(shè)計(jì)的要求，這種解決方案很明顯必須提供極高的容量和性能，例如在一分鐘甚至更短時(shí)間內(nèi)加載整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)、在數(shù)秒內(nèi)完成全部模擬和數(shù)字層的刷新等。在全芯片層，設(shè)計(jì)環(huán)境必須在芯片完成階段支持自動(dòng)全局布線;此外，系統(tǒng)還必須支持全芯片混合信號(hào)提取和仿真。

其次，必須進(jìn)一步增強(qiáng)模擬設(shè)計(jì)工具性能，使之提供與數(shù)字設(shè)計(jì)工具相同的自動(dòng)化水平和產(chǎn)能。例如，在高層抽象級(jí)詳細(xì)說明模擬功能，然后將這種說明自動(dòng)綜合為相當(dāng)于晶體管級(jí)的電路，再執(zhí)行模擬微調(diào)和優(yōu)化。最后，還必須自動(dòng)實(shí)現(xiàn)模擬設(shè)計(jì)從一個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，以及從一個(gè)代工廠到另一個(gè)代工廠的自動(dòng)轉(zhuǎn)移。

在具備及時(shí)快速設(shè)計(jì)大型且復(fù)雜的混合信號(hào)器件能力方面，我們即將面臨重大轉(zhuǎn)折。先進(jìn)的混合信號(hào)芯片設(shè)計(jì)師們需要這些能力，而且表現(xiàn)的非常迫切。

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