eng
Выпуск #5/2004
Г.Казённов, С.Кокин, C.Макаров, В.Перминов, Д.Перминов.
Системы схемотехнического моделирования AVOCAD. Проектирование аналого-цифровых систем на кристалле
Системы схемотехнического моделирования AVOCAD. Проектирование аналого-цифровых систем на кристалле
Просмотры: 3784
Система схемотехнического моделирования AVOCAD – продукт российско-малазийской компании UniqueIC'S (www.uniqueics.ru), базирующейся в Зеленограде. Компания занимается проектированием аналоговых, оптоэлектронных, цифровых, аналого-цифровых интегральных схем с последующим производством на фабриках Малайзии и Тайваня. AVOCAD создан группой российских специалистов, имеющих многолетний опыт разработки численных алгоритмов схемотехнического моделирования, с учетом современных требований к проектированию аналого-цифровых интегральных схем.
Одна из основных тенденций в проектировании интегральных схем – создание функционально завершенных устройств на одном кристалле, так называемых "систем на кристалле" (SoC – System-on-Chip) [1]. Уже сегодня значительная часть SoC включает не только цифровые, но и аналоговые, цифроаналоговые блоки и, по прогнозам [2, 3], доля таких систем будет расти. Для надежного проектирования заказных систем, содержащих аналоговые части, точности логического и поведенческого моделирования оказывается недостаточно. Схемотехническое (СхТ) моделирование необходимо при отладке аналоговых частей на этапе разработки принципиальной схемы, верификации перед запуском в производство (с учетом влияния межсоединений, полученных при топологическом проектировании). Использование таких возможностей систем схемотехнического моделирования, как параметрическая оптимизация и статистический анализ, позволяет добиваться повышения быстродействия и/или улучшения других характеристик схемы. Сегодня схемотехническое моделирование – обязательный этап маршрута проектирования заказных аналоговых и цифроаналоговых схем.
Однако существующие программы схемотехнического моделирования практически, из-за громадных временных затрат, не позволяют провести моделирование схем, включающих несколько миллионов транзисторов (а это не самые большие SoC), целиком. Когда проектируется схема такой размерности, ее обычно разбивают на блоки и моделируют по частям. При этом нет гарантий, что после формального объединения отлаженных блоков вся схема будет работать правильно. Гарантировать это можно только при моделировании всего проекта в целом. Задача очень важная, и на ряде крупных фирм, таких как Cadence, Synopsys, ведутся проекты по разработке специальных программ ускоренного схемотехнического моделирования, позволяющих верифицировать на схемотехническом уровне цифровые и аналого-цифровые КМОП-схемы большой размерности в экономически приемлемые сроки. Но пока что программы, такие как HSPICE, позволяющие точно моделировать схемы произвольной структуры, реально могут работать только со схемами (блоками) размерностью до 100 тысяч транзисторов [4].
НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ СИСТЕМЫ AVOCAD
Система AVOCAD занимает особое место среди программ схемотехнического моделирования, совмещая точность и высокую производительность (рис.1). Существующие подходы к повышению скорости схемотехнического моделирования либо приводят к снижению точности (при использовании упрощенных моделей элементов), либо применимы только для схем специального вида, например регулярных схем памяти [5]. Средства моделирования системы AVOCAD позволяют увеличить размер верифицируемых схем как с регулярной, так и с нерегулярной структурой до нескольких миллионов транзисторов. При сохранении высокой точности, новые алгоритмы, использованные в системе, значительно повышают производительность моделирования для цифровых и цифроаналоговых схем большой размерности, в которых в каждый момент времени переключается сравнительно небольшое количество транзисторов. Большинство цифровых и цифроаналоговых схем, имеющих практическую значимость, удовлетворяет этому критерию. В современных проектах SoC доля транзисторов, работающих в аналоговом режиме, составляет порядка 2% [6], среди оставшейся цифровой части число переключаемых транзисторов в каждый момент для большинства практических схем составляет от 2 до 20% от общего числа транзисторов. В настоящий момент система AVOCAD состоит из программы моделирования и среды разработчика с встроенным схемотехническим редактором.
СРЕДА РАЗРАБОТЧИКА И СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЙ РЕДАКТОР
Среда разработчика представляет собой интегрированную оболочку, реализованную на платформе Windows, в которую включены система управления проектами, полнофункциональный схемный редактор, средства визуализации и анализа результатов моделирования. Иерархические проекты принципиальных схем могут создаваться в виде текстового (формат HSPICE) и графического описания. В системе управления проектами предусмотрены средства генерации описания списка цепей в форматах систем HSPICE, SPECTRE, SPICE3e2. Поддерживается возможность повторного использования отлаженных иерархических блоков из других проектов. Для подключения готового блока в текущий проект достаточно простой ссылки на рабочий файл с описанием блока. Большое удобство – поддержка параметризованных иерархических блоков. Для каждого варианта набора параметров транзисторов (или других параметров) не нужно создавать отдельные блоки. Можно использовать единое описание принципиальной схемы, а конкретные параметры и настройки задавать уже при включении блока в общую схему.
Графическое описание принципиальной схемы создается с помощью встроенного полнофункционального схемотехнического редактора (рис.2). Редактор поддерживает неограниченную иерархию, имеет широкий набор настроек и утилит для прорисовки схемы (настройка цветовой палитры, задание сетки привязки, разбиение схемы на несколько чертежей, задание размеров чертежа, печать, предварительный просмотр перед выводом на печать, автоматическая нумерация элементов, прорисовка шин и др.). Пользователь может создавать собственные библиотеки графических элементов схемы (рис.3). Более того, параметры моделей элементов могут задаваться с помощью специально разработанных графических утилит.
В схемотехническом редакторе системы AVOCAD разработаны удобные интуитивные инструменты для работы с маркерами токов и напряжений. Пользователь может задать маркер внутри описания иерархического блока (который будет воспроизводиться при каждом включении блока) либо выбрать ветку иерархического дерева описания схемы и для каждого конкретного вхождения блока указать уникальную точку простановки маркера. Если необходимо поработать с отдельным фрагментом рабочей схемы или, наоборот, включить ее как часть в общий проект, создать дополнительный отладочный вариант, система автоматически сохранит установку маркеров.
Не выходя из среды разработчика, пользователь может задать и сохранить настройки моделирования: модели используемых элементов, тип моделирования, опции моделирования, параметры визуализации и сохранения результатов моделирования и др. Можно создавать несколько вариантов настроек и переключать их по мере необходимости. После запуска программы моделирования результаты можно наблюдать непосредственно в процессе ее работы, а также проанализировать впоследствии с помощью интерактивного постпроцессора обработки результатов (рис.4).
В среде разработчика системы AVOCAD можно разрабатывать целые программы аттестации проектов, формируя пакеты заданий на моделирование в различных режимах с различными настройками. Существует возможность моделирования как на компьютере разработчика, так и на удаленных компьютерах, в том числе и работающих под управлением операционной системы UNIX. Причем моделирование может проводиться не только собственными средствами системы, но и с помощью программ третьих фирм. Обработка результатов во всех случаях происходит в постпроцессоре среды разработчика.
ПРОГРАММА МОДЕЛИРОВАНИЯ
Программа моделирования – сердце системы AVOCAD. Она существует как в виде отдельного модуля, который можно запустить на удаленном компьютере, так и в виде инструмента, непосредственно интегрированного в среду разработчика. Основная особенность программы моделирования – ориентация на проведение анализа интегральной схемы нерегулярной структуры, включающей сотни тысяч транзисторов (до нескольких миллионов), во временной области за минимальное время с сохранением точности моделирования, характерной для систем типа HSPICE.
В программе схемотехнического моделирования AVOCAD удалось удачно совместить общеизвестные подходы к схемотехническому моделированию и целый ряд оригинальных методов. Новые методы не подменяют базовые подходы к моделированию электрических схем, а дополняют их. Поскольку используются общепринятые модели элементов, увеличение скорости моделирования не сказывается на точности получаемых результатов.
Основное преимущество математических методов, примененных в системе AVOCAD, – возможность декомпозиции математической модели всей схемы. Такие методы относят к классу "диакоптических" методов. Декомпозиция позволяет существенно снизить затраты при использовании численных методов, характеризующихся нелинейным ростом временных затрат при росте размеров всей системы. Выбор способа декомпозиции – определяющий фактор для методов такого класса. Для программы моделирования AVOCAD разработаны новые оригинальные алгоритмы декомпозиции, учитывающие особенности задач схемотехнического моделирования и позволяющие значительно снизить общие затраты на моделирование, особенно для больших схем. В больших схемах связность элементов снижается (матрицы становятся более разреженными), и эффект от декомпозиции увеличивается. Отметим, что при увеличении размера схемы "выигрыш" по сравнению с известными программами схемотехнического моделирования увеличивается нелинейно и может составить сотни и тысячи раз, например, как при моделировании схем счетчиков разной размерности (рис.5).
В настоящее время в программе моделирования реализованы следующие виды анализа: анализ по постоянному току (DC анализ); анализ во временной области (TRAN анализ); анализ по переменному току (AC анализ). Кроме этого, каждый из перечисленных видов анализа может быть параметризован (SWEEP анализ). Поддерживаются модели резистора, физического резистора, конденсатора, диода, МДП-транзистора (модели Level 3, BSIM3v3, BSIM4), биполярного транзистора (модель Гуммеля-Пуна), зависимые и независимые источники тока и напряжения. Все названные модели совместимы по параметрам с параметрами моделей системы HSPICE компании Synopsys.
Сравнительное тестирование программы схемотехнического моделирования системы AVOCAD и таких известных систем как PSPICE 9.2, SPECTRE 4.4.6, HSPICE 99.2 в целом показали значительное ускорение расчетов при сохранении точности моделирования. Тестирование проводилось для различных классов схем. В качестве примера можно привести результаты моделирования схемы трехразрядного АЦП (рис.6). Моделирование схем трехразрядного АЦП и счетчиков разной размерности в системе AVOCAD требует значительно меньше времени (см. табл.).
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Система AVOCAD развивается как в направлении увеличения скорости моделирования, так и в плане расширения функциональных возможностей программы моделирования и среды разработчика. В настоящее время ведутся разработки версий для многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем, которые, как ожидается, позволят сократить общее время моделирования еще в несколько раз. Алгоритмы моделирования, как уже отмечалось, используют принцип декомпозиции математической модели всей схемы. Это позволяет эффективно и естественно проводить распараллеливание вычислительного процесса. Другое важное направление развития – расширение библиотеки моделей элементов интегральных схем, в частности, за счет моделей, учитывающих особенности специализированных схем, разрабатываемых компанией UniqueIC'S по новым технологиям фабрик – партнеров компании. Есть планы по созданию на базе AVOCAD системы сквозного проектирования. Уже ведется работа над модулями проектирования и верификации топологии.
ЛИТЕРАТУРА
1. George Neville-Neil, Telle Whitney. SoC: Software, Hardware, Nightmare, Bliss. – Queue, ACM Press, 2003, V. 1 , Is. 2, P. 24.
2. CADENCE Annual report and form 10-K. 2001. http://www.cadence.com.
3. ASIC Market Alive and Well, In-Stat/MDR report "Customer-Specific, Cell-Based IC Consumption; An End-Use/Geographic Comparison". http://www.instat.com, 2004
4. HSPICE Frequently Asked Questions. http://www.synopsys.com.
5. Денисенко В. Проблемы схемотехнического моделирования КМОП СБИС.– Компоненты и технологии, 2002, № 3, с.74–78, № 4, с.100–104.
6. Analogue Design for SoC: Red is for Danger (panel discussion). – Design Automation and Test in Europe (DATE), 2004. http://www.date-conference.com.
Однако существующие программы схемотехнического моделирования практически, из-за громадных временных затрат, не позволяют провести моделирование схем, включающих несколько миллионов транзисторов (а это не самые большие SoC), целиком. Когда проектируется схема такой размерности, ее обычно разбивают на блоки и моделируют по частям. При этом нет гарантий, что после формального объединения отлаженных блоков вся схема будет работать правильно. Гарантировать это можно только при моделировании всего проекта в целом. Задача очень важная, и на ряде крупных фирм, таких как Cadence, Synopsys, ведутся проекты по разработке специальных программ ускоренного схемотехнического моделирования, позволяющих верифицировать на схемотехническом уровне цифровые и аналого-цифровые КМОП-схемы большой размерности в экономически приемлемые сроки. Но пока что программы, такие как HSPICE, позволяющие точно моделировать схемы произвольной структуры, реально могут работать только со схемами (блоками) размерностью до 100 тысяч транзисторов [4].
НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ СИСТЕМЫ AVOCAD
Система AVOCAD занимает особое место среди программ схемотехнического моделирования, совмещая точность и высокую производительность (рис.1). Существующие подходы к повышению скорости схемотехнического моделирования либо приводят к снижению точности (при использовании упрощенных моделей элементов), либо применимы только для схем специального вида, например регулярных схем памяти [5]. Средства моделирования системы AVOCAD позволяют увеличить размер верифицируемых схем как с регулярной, так и с нерегулярной структурой до нескольких миллионов транзисторов. При сохранении высокой точности, новые алгоритмы, использованные в системе, значительно повышают производительность моделирования для цифровых и цифроаналоговых схем большой размерности, в которых в каждый момент времени переключается сравнительно небольшое количество транзисторов. Большинство цифровых и цифроаналоговых схем, имеющих практическую значимость, удовлетворяет этому критерию. В современных проектах SoC доля транзисторов, работающих в аналоговом режиме, составляет порядка 2% [6], среди оставшейся цифровой части число переключаемых транзисторов в каждый момент для большинства практических схем составляет от 2 до 20% от общего числа транзисторов. В настоящий момент система AVOCAD состоит из программы моделирования и среды разработчика с встроенным схемотехническим редактором.
СРЕДА РАЗРАБОТЧИКА И СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЙ РЕДАКТОР
Среда разработчика представляет собой интегрированную оболочку, реализованную на платформе Windows, в которую включены система управления проектами, полнофункциональный схемный редактор, средства визуализации и анализа результатов моделирования. Иерархические проекты принципиальных схем могут создаваться в виде текстового (формат HSPICE) и графического описания. В системе управления проектами предусмотрены средства генерации описания списка цепей в форматах систем HSPICE, SPECTRE, SPICE3e2. Поддерживается возможность повторного использования отлаженных иерархических блоков из других проектов. Для подключения готового блока в текущий проект достаточно простой ссылки на рабочий файл с описанием блока. Большое удобство – поддержка параметризованных иерархических блоков. Для каждого варианта набора параметров транзисторов (или других параметров) не нужно создавать отдельные блоки. Можно использовать единое описание принципиальной схемы, а конкретные параметры и настройки задавать уже при включении блока в общую схему.
Графическое описание принципиальной схемы создается с помощью встроенного полнофункционального схемотехнического редактора (рис.2). Редактор поддерживает неограниченную иерархию, имеет широкий набор настроек и утилит для прорисовки схемы (настройка цветовой палитры, задание сетки привязки, разбиение схемы на несколько чертежей, задание размеров чертежа, печать, предварительный просмотр перед выводом на печать, автоматическая нумерация элементов, прорисовка шин и др.). Пользователь может создавать собственные библиотеки графических элементов схемы (рис.3). Более того, параметры моделей элементов могут задаваться с помощью специально разработанных графических утилит.
В схемотехническом редакторе системы AVOCAD разработаны удобные интуитивные инструменты для работы с маркерами токов и напряжений. Пользователь может задать маркер внутри описания иерархического блока (который будет воспроизводиться при каждом включении блока) либо выбрать ветку иерархического дерева описания схемы и для каждого конкретного вхождения блока указать уникальную точку простановки маркера. Если необходимо поработать с отдельным фрагментом рабочей схемы или, наоборот, включить ее как часть в общий проект, создать дополнительный отладочный вариант, система автоматически сохранит установку маркеров.
Не выходя из среды разработчика, пользователь может задать и сохранить настройки моделирования: модели используемых элементов, тип моделирования, опции моделирования, параметры визуализации и сохранения результатов моделирования и др. Можно создавать несколько вариантов настроек и переключать их по мере необходимости. После запуска программы моделирования результаты можно наблюдать непосредственно в процессе ее работы, а также проанализировать впоследствии с помощью интерактивного постпроцессора обработки результатов (рис.4).
В среде разработчика системы AVOCAD можно разрабатывать целые программы аттестации проектов, формируя пакеты заданий на моделирование в различных режимах с различными настройками. Существует возможность моделирования как на компьютере разработчика, так и на удаленных компьютерах, в том числе и работающих под управлением операционной системы UNIX. Причем моделирование может проводиться не только собственными средствами системы, но и с помощью программ третьих фирм. Обработка результатов во всех случаях происходит в постпроцессоре среды разработчика.
ПРОГРАММА МОДЕЛИРОВАНИЯ
Программа моделирования – сердце системы AVOCAD. Она существует как в виде отдельного модуля, который можно запустить на удаленном компьютере, так и в виде инструмента, непосредственно интегрированного в среду разработчика. Основная особенность программы моделирования – ориентация на проведение анализа интегральной схемы нерегулярной структуры, включающей сотни тысяч транзисторов (до нескольких миллионов), во временной области за минимальное время с сохранением точности моделирования, характерной для систем типа HSPICE.
В программе схемотехнического моделирования AVOCAD удалось удачно совместить общеизвестные подходы к схемотехническому моделированию и целый ряд оригинальных методов. Новые методы не подменяют базовые подходы к моделированию электрических схем, а дополняют их. Поскольку используются общепринятые модели элементов, увеличение скорости моделирования не сказывается на точности получаемых результатов.
Основное преимущество математических методов, примененных в системе AVOCAD, – возможность декомпозиции математической модели всей схемы. Такие методы относят к классу "диакоптических" методов. Декомпозиция позволяет существенно снизить затраты при использовании численных методов, характеризующихся нелинейным ростом временных затрат при росте размеров всей системы. Выбор способа декомпозиции – определяющий фактор для методов такого класса. Для программы моделирования AVOCAD разработаны новые оригинальные алгоритмы декомпозиции, учитывающие особенности задач схемотехнического моделирования и позволяющие значительно снизить общие затраты на моделирование, особенно для больших схем. В больших схемах связность элементов снижается (матрицы становятся более разреженными), и эффект от декомпозиции увеличивается. Отметим, что при увеличении размера схемы "выигрыш" по сравнению с известными программами схемотехнического моделирования увеличивается нелинейно и может составить сотни и тысячи раз, например, как при моделировании схем счетчиков разной размерности (рис.5).
В настоящее время в программе моделирования реализованы следующие виды анализа: анализ по постоянному току (DC анализ); анализ во временной области (TRAN анализ); анализ по переменному току (AC анализ). Кроме этого, каждый из перечисленных видов анализа может быть параметризован (SWEEP анализ). Поддерживаются модели резистора, физического резистора, конденсатора, диода, МДП-транзистора (модели Level 3, BSIM3v3, BSIM4), биполярного транзистора (модель Гуммеля-Пуна), зависимые и независимые источники тока и напряжения. Все названные модели совместимы по параметрам с параметрами моделей системы HSPICE компании Synopsys.
Сравнительное тестирование программы схемотехнического моделирования системы AVOCAD и таких известных систем как PSPICE 9.2, SPECTRE 4.4.6, HSPICE 99.2 в целом показали значительное ускорение расчетов при сохранении точности моделирования. Тестирование проводилось для различных классов схем. В качестве примера можно привести результаты моделирования схемы трехразрядного АЦП (рис.6). Моделирование схем трехразрядного АЦП и счетчиков разной размерности в системе AVOCAD требует значительно меньше времени (см. табл.).
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Система AVOCAD развивается как в направлении увеличения скорости моделирования, так и в плане расширения функциональных возможностей программы моделирования и среды разработчика. В настоящее время ведутся разработки версий для многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем, которые, как ожидается, позволят сократить общее время моделирования еще в несколько раз. Алгоритмы моделирования, как уже отмечалось, используют принцип декомпозиции математической модели всей схемы. Это позволяет эффективно и естественно проводить распараллеливание вычислительного процесса. Другое важное направление развития – расширение библиотеки моделей элементов интегральных схем, в частности, за счет моделей, учитывающих особенности специализированных схем, разрабатываемых компанией UniqueIC'S по новым технологиям фабрик – партнеров компании. Есть планы по созданию на базе AVOCAD системы сквозного проектирования. Уже ведется работа над модулями проектирования и верификации топологии.
ЛИТЕРАТУРА
1. George Neville-Neil, Telle Whitney. SoC: Software, Hardware, Nightmare, Bliss. – Queue, ACM Press, 2003, V. 1 , Is. 2, P. 24.
2. CADENCE Annual report and form 10-K. 2001. http://www.cadence.com.
3. ASIC Market Alive and Well, In-Stat/MDR report "Customer-Specific, Cell-Based IC Consumption; An End-Use/Geographic Comparison". http://www.instat.com, 2004
4. HSPICE Frequently Asked Questions. http://www.synopsys.com.
5. Денисенко В. Проблемы схемотехнического моделирования КМОП СБИС.– Компоненты и технологии, 2002, № 3, с.74–78, № 4, с.100–104.
6. Analogue Design for SoC: Red is for Danger (panel discussion). – Design Automation and Test in Europe (DATE), 2004. http://www.date-conference.com.
Отзывы читателей
