为什么功率完整性分析的缩放模拟是关键

文章作者:Joseph C. Davis,西门子数字工业软件公司

过去20年的EDA电源完整性解决方案一直是后布局SPICE仿真。对于更大的模拟系统,这种情况必须改变。

我们终于进入了计算机与我们和环境互动的未来,使我们的日常生活更容易、更安全、更高效。我的车还不能自动驾驶,但它知道在前面的车减速时减速。我的手表知道我摔倒了,需要帮助。照相机能分辨一个人的注视焦点。智能城市。4.0行业。自主驾驶。5 g网络。智能电网。这些领域应用的增长正推动半导体设计的增长速度远高于行业平均水平(图1).

图1将智能嵌入日常生活推动了半导体设计领域的新增长。来源:Semico研究

所有这些技术将难以置信的处理能力与传感器和模拟电路结合在一起,其规模在过去只能是梦想。然而,要想在市场上取得成功,这些组合系统还必须在合理的功耗下工作,并在具有挑战性的条件下长时间可靠运行。这些操作和市场需求影响了设计公司在设计、实施和验证期间必须在芯片层面完成的工作。

电源完整性是许多面临压力的设计目标之一,在这些组合系统中尤其重要,这些系统包含前所未有规模的大型模拟系统和传感器。让我们看看推动这些芯片级挑战的行业趋势,以及这对这些系统的电源完整性和可靠性意味着什么系统。

传感器新秩序

正如大多数设计公司会告诉你的那样,近年来图像传感器的使用呈爆炸式增长。传感器是推动后端计算增长的前端。智能手机创造了相机芯片的初始量需求,导致价格下降,这使得几乎任何人都可以在任何地方放置相机。猎人可以在树林里隐藏跟踪摄像头来收集游戏活动的数据。房主可以在比购买更短的时间内安装一个安全摄像头。各个城市都在街道上安装了摄像头,以阻止犯罪,监控交通,跟踪行人。

这些产品中的传感器尺寸范围很广,从很小的像素数到晶片大小的传感器阵列。目前已经有公司在设计300万像素的传感器,而且未来肯定还会有更多。

图2未来5年,连接到互联网的传感器的年复合增长率将达到34%,这意味着不仅传感器,通信网络和接口也将快速增长。来源:集成电路的见解

但传感器本身并不是一个完整的解决方案。为了使系统能够理解这些传感器“看到”的东西,它们必须能够分析数据。这意味着将处理能力与传感器结合起来——要么在芯片上,要么在网络上。汽车电子设备需要传感器系统来检测和区分其他车辆、行人和骑自行车的人。监测心率、呼吸和睡眠模式的健身手表使用的是传感器系统。事实上,下一代苹果手表最令人期待的功能是传感器系统。

这种处理能力也在迅速发展。去年,索尼宣布了一种组合传感器/人工智能芯片,该芯片能够识别芯片上的对象和人员,因此只有元数据而不是实际图像从芯片中传递出去。这些应用使得芯片设计的模拟和数字部分越来越复杂,在这些设计中有更多的功率域和更大的模拟/混合信号块(万博投注网址图3).

图3模拟块和功率域是增长最快的芯片设计组件,这种增长趋势预计将持续到未来五年。来源:Semico Research

目前使用的大多数传感器系统都依赖无线通信来传输数据和命令。无论无线通信是蓝牙、Wi-Fi还是蜂窝网络,这都意味着集成电路结合了传感器、模拟和数字处理。英飞凌的Shawn Slusser提到了一种结合雷达的智能建筑传感器2传感器、处理和Wi-Fi/蓝牙作为驱动增长的产品类型的一个例子,英飞凌在购买赛普拉斯半导体时看到了协同效应。事实上,英飞凌此次收购的目的是“将现实与数字世界联系起来,塑造数字化”。

英飞凌并不是唯一一家利用对组合系统日益增长的需求来实现设计能力的公司。近年来,大型模拟和数字公司进行了无数次合并。这些合并不是竞争对手为了争夺市场份额而相互吞并的典型合一,而是提供多样化服务的公司ings携手打造更广泛的集成产品能力。例如,历史上更注重数字化的瑞萨公司最近收购了IDT、Intersil,最近又收购了对话框-所有强大的模拟公司。Marvell也同样通过收购InphiAquantiaInnovium.这些公司正在获得能力,以提供更全面和强大的芯片,结合处理和接口。

用于大型模拟设计的电源完整性分析万博投注网址

这对片上系统(SoC)和电子设计自动化(EDA)行业意味着什么?这些传感器系统的大小和复杂性推动了你所听到的所有时间处理能力、带宽和网络的趋势。与此同时,这种规模和复杂性导致了传统模拟设计和验证流程的中断。传统的模拟EDA工具并不像数字工具那样具有可扩展性。传感器可以变大。更重要的是,目前正在设计的模拟系统结合了几十个模块。典型的模拟设计和验证流程可能对这些块工作良好,但系统呢?它可能会碰到数千万个晶体管?数字技术在很久以前就面临并克服了可伸缩性的障碍,但模拟技术直到现在还能够管理可伸缩性问题,而不是解决它。为什么会有这样的差异呢?

层次结构是发现和解决电路设计问题的标准方法。虽然模拟电路确实是分层的,但它们并没有在整个流中使用为数字流开发的相同类型的抽象。在连续波形世界中,抽象电路要困难得多,因为你不能像在数字电路中那样把所有东西都简化为0和1、转换速率和简化模型。在模拟电路分析中,SPICE为王。当您的模拟电路变得太大而无法及时进行SPICE模拟时,您就不得不使用不太精确的工具或您自己的工程判断来模拟选择的子电路。

大型晶体管级电路的电源完整性本身就是其中一个解决方法。对于电源完整性分析,您必须在考虑从系统级向下通过电网传输到晶体管级的电流所产生的所有令人讨厌的电压降后,确定以硅实现的电路是否能够正常工作单个晶体管。对于非常小的电路,这是一个简单的问题,提取完整的已实现电路布局的寄生,并进行布局后模拟。没问题。

然而,随着电路变得越来越大,这些寄生因素的总和会导致SPICE模拟陷入停滞。过去20年来,EDA电源完整性解决方案一直是仅使用信号寄生因素运行布局后SPICE模拟,然后获取这些波形并将其传递给二次模拟,其中包括电源g的寄生因素rid。这种方法之所以有效,是因为非线性SPICE模拟在没有电网寄生的情况下降低了阶数,二次模拟非常大,但是线性的。然而,仍然存在一种电路规模,即使是仅信号SPICE模拟也太大。现代模拟和传感器设计早就超过了这一限制。万博投注网址

当然,如今人们正在设计和生产这些设计,所以他们肯定有办法得到他们需要的答案。万博投注网址确实如此,但这是有代价的。成本包括工程时间和过度设计。当规模成为问题时,总有办法找到近似解。它只是需要大量的工程努力和时间来创建一个低阶分析,或删除部分电路,或做一个详细的模拟电路的“敏感部分”。或者,简单地增大痕迹的尺寸以最小化电压降,这有其他成本,比如面积和电容。这就是设计公司现在的处境——他们的产品中需要这些传感器系统,但缺乏好的工具正在消耗他们的时间和金钱,并给他们的产品带来额外的风险。

公司如何让他们的模拟设计在一个及时的时尚,同时仍然确保电源完整性和运万博投注网址行可靠性?我们需要的是一个EDA解决方案,为设计团队提供快速、可扩展和准确的模拟布局分析,从最小的块到最大的模拟电路,甚至全芯片设计。万博投注网址通过为模拟设计团队提供与数字设计团队相同水平的可伸缩性和性能,公司可以确保模拟设计满足与电源相关的设计目标和性能标准,以及他们的减耗计划。万博投注网址

全EM/IR分析

在西门子EDA,我们开发了一个新的工具套件,它将首次为模拟设计人员提供全电迁移(EM)和电压降(IR)分析的可扩展性。我们的mPower该工具对最大、最复杂的块和芯片执行基于仿真的EM/IR分析,以实现对5G传感器、AI、多核、芯片、机器学习和其他大型复杂SoC系统的快速、准确的电源完整性分析(图4).这种可扩展的功能为设计人员提供了详细的分析,使其能够自信地完成制造设计,同时通过提供来自块级SPICE模拟的全芯片和阵列分析,实现了更快的总体周转时间。万博投注网址它还可以通过使用预布局SPICE模拟在设计周期的早期实现更快的迭代。

图4高容量动态分析提供基于仿真的EM/IR分析在最大,最复杂的块和芯片。来源:西门子EDA

为了成功满足对包含传感器系统的产品日益增长的需求,模拟设计公司必须确保其SOC能够提供消费者期望和要求的电源完整性和运行可靠性。为了保持和扩大市场份额,他们还必须能够按时交付SOC。随着作为模拟设计自动化电源完整性分析工具的ce,这些目标现在更加现实和可实现。万博投注网址

Joseph C. Davis,西门子数字工业软件公司Calibre Interfaces和mPower Power Integrity产品管理高级总监。

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