下一个浪潮：综合工具助混合信号设计一臂之力

下一个浪潮：综合工具助混合信号设计一臂之力

    　　数字设计的商用逻辑综合工具可大大提高设计师的设计效率。该技术不仅改进了数字设计，而且还促进了20世纪90年代半导体产业的巨大增长。在电子设计中，综合就是在较低的抽象层次自动地将某个电路的描述编译成等效电路。为了实现这种变换，逻辑综合工具采用一种实现基本逻辑功能的预设计单元库来把设计师描述的电路映射成门电路的集合。数字综合把寄存器传送级（RTL）设计转换成门电路级等效电路。只要物理参数不是至关重要的，逻辑电路设计师便可以使用数字综合，无须过多考虑物理实现方法。
    
    　　现在，半导体制造工艺的进步已使晶体管的尺寸缩小到极小，因此设计师必须考虑到设计的物理特性问题。物理综合工具是对逻辑综合的一种补充，物理综合工具允许设计师规定电气和物理参数，以指导布局布线工具。这些工具使用起来要比逻辑综合工具困难，原因是它们需要有关电气寄生效应和制造工艺方面的知识才能提供所需的指令。工具遵循设计师的指令工作，并在生成和调整实现设计的逻辑门序列时考虑到物理隐含义。大多数线宽为 180 纳米及180纳米以下的设计均要求采用物理综合。物理综合应用上的复杂性与工程师使用模拟综合时遇到的困难类似。当一个产品要求从计算系统转向通信系统时，设计公司的生产效率就会下降，这是因为一个设计中的模拟部分的效率不会像数字设计那样达到很高的效率。
    
    　　电子工业要持续增长，就要大大提高模拟设计的效率。混合信号器件可以提供机械系统与计算系统之间的接口，并能实现通信系统的互连。最近三年，几家新公司瞄准了模拟综合市场。就像任何开创性工作那样，模拟综合市场也是好坏参半，模拟综合领域没有提供一种统一的解决问题的方法。多数早期的供应商均在重新审视其营销方式。
    
    　　模拟设计与综合
    
    　　模拟设计比数字设计难度大、费时间。模拟设计师的人数也远远少于数字
    设计师，因此，随着混合信号设计数量的增加，生产率便成了瓶颈。工程师设计模拟电路的方法是，先输入原理图，再利用原理图编辑程序的特性和标示功能来确定各个元件的规模并为它们设定偏置。为了对设计进行仿真以观测其工作特性，工程师必须研制测试台，设定工作目标，进行仿真，必要时修改电路，然后再重复以上过程，直到达到设计目标为止。由于模拟仿真属计算密集型，这一仿真过程所需时间比数字仿真长。工程师一旦定下某一电路，就必须把网表提供给布局布线和提取工具，以完成设计过程。模拟综合工具可加快设计的仿真，优化设计过程，节省大量的时间（参考文献1）。模拟综合与数字综合迥然不同。数字综合使用它在单元库中找到的单元来实现所需功能，从而把对一个功能块集的描述映射成一个门电路序列。每个单元库都是某个芯片制造厂和某种工艺专用的，但这些单元都是门级电路，而不是晶体管级电路。由于设计师必须直接用晶体管和基础无源器件来实现设计，所以模拟综合没有单元库。模拟综合从实现某一模拟功能的一个通用电路开始，例如锁相环(PLL)、模/数变换器(ADC)、数/模变换器(DAC)或谐振器。它生成能最佳满足设计师设定的参数和目标的实现程序。在这个过程中，它可能产生成百上千个电路实例。该方法的优点是，没有经过模拟设计培训的设计工程师只要选择一个模板并输入工作要求和合适的过程参数，即可生成混合信号设计的模拟部分。如果逻辑设计师对阐述所需电路的性能的基本物理和电气定律有所了解，这种方法很有用。而对于许多数字设计师来讲，这种培训要求他们更新电子学方面的知识。
    
    　　最初推出的模拟综合工具是一种由功能模板、试验台生成程序、仿真程序和评估程序组成的系统。评估程序可以决定结果是否达到了目标，系统是否需要修改某些参数并重新执行此过程。在修改参数时，工具可以采用随机算法，如Monte Carlo，也可以使用更精确的以先前结果为决策依据的试探性算法。市场结果产生了若干产品系列，这些产品都力图提高模拟设计的生产率。你现在仍然可以找到采用这些方法来解决问题的模拟综合产品。你可能会发现有些供应商销售IP（知识产权）功能块和工具，并使之符合你的要求。此外，你还可以使用现场可编程模拟阵列(FPAA)。
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    　　综合工具
    
    　　ADA（模拟设计自动化）公司用其Genius系列产品来解决模拟综合问题。这些工具与Cadence公司、Mentor公司和 Synopsys公司的模拟设计环境相整合。在电路拓扑、试验台和过程模型文件给定的情况下，创新的Genius产品允许设计师寻求一组有可能使用的方法。这种综合引擎利用模板库的输入和客户提供的模拟仿真程序，产生能符合设计目标的结果。它使用智能系统算法来达到以下四个目标--局部参数、全局参数、拓扑选择参数或完全结构综合--之一，具体视设计师的选择而定（参考文献2）。该系统并行生成多个候选结果，并将它们保存在工程师可利用Explorer Genius来浏览的数据库中。该产品采用多种方法来使结果可视化，从而便于选择供最终验证的候选结果。你一旦找到了结果，就可以把它保存在你的IP数据库中。这一功能使用户增强综合工具使用的模板数据库，并能使设小组和设计公司开发专用的IP数据库。
    
    　　另一家供应商Antrim设计公司修改了它的经营目标，即从行为模拟仿真供应商转变为模拟和混合信号电路开发平台供应商。该公司用的Aptivia开放式平台适用于规范驱动的混合信号设计，它提供了一种分析、表征和验证模拟和混合电路的自动化方法。设计师可以测定设计特性，生成和运行试验台，进行各种试验，分析结果，然后完成对工作规范和性能规范是否可行的验证。该工具使用 Antrim 公司的Burst Licensing仿真功能来支持分布式处理，从而可以利用处理器在网络上并行地运行许多试验台和进行试验。设计师既可用人工方法寻求生成的途径，也可以使用供选择的综合－优化模块。这一引擎使用一个模板数据库，可进行交流分析、直流分析、瞬态分析和噪声分析，并可监视用户所选择参数的测量值。你可使用 OmniSim 仿真程序来评估候选电路。用户可为要使用的仿真程序提供激励文件，并可获取所得结果的最终网表。
    
    　　与卡内基－梅隆（Carnegie-Mellon）大学（匹兹堡）有着技术交往的 Neolinear 公司完成了模拟/射频设计师所面临的三项劳动密集型任务：通过确定与工作规范有关的合适器件的宽度、长度和m系数来制定电路拓扑的规格；把已定规模的电路拓扑转换成物理布局；按照设计流程中的设计规则和制造工艺检验设计。NeoCircuit 和 NeoCircuit RF 使用用户提供的模拟仿真程序来为模拟和射频原理图分别设定规模和偏置，以验证向既定目标逼近的情况。NeoCell对所选定的电路自动布局布线。一旦完成布局设计就可以使用 NeoCircuit 或 NeoCircuit RF 来验证所提取的带有寄生参数值的网表。Neolinear 公司已经与 Cadence 公司达成一项独家经销协议。根据此项协议，Cadence 公司是 NeoCell 的独家经销商,而且Neolinear公司的所有产品都与Cadence 公司的产品整合在一起。
    
    　　只要观察一下Neolinear 公司的m系数处理方法的一个侧面，就可以对模拟综合的复杂性有所了解。至于m系数的定义，目前尚无权威的工业标准。工艺文件通常描述用来鉴定某个器件是否合格的w参数、l 参数和 m 参数。比较常用的定义将 m 用作乘数，表示有 m 个各自独立的并行器件。然而，实际上这种用法主要取决于设计公司以及工程师建立成套工艺开发工具（PDK）的方法。PDK包括工程师从原理图到布局验证所需的一切工具。它包含有器件模型、设计规则、层映射和有关布局的其它信息。许多PDK还包括电子设计自动化（EDA）供应商专有信息（如 Cadence公司的 P-单元）和布局与原理图对比检验工具的提取板（如 Cadence公司的 Assura）。你可以配置Neolinear公司的各种工具，以适合你的PDK。一个设置文件可使你规定 m 是指 "并行器件数目"、"条纹宽度"，还是指"器件中指状元件数目"。用来生成总宽度的条纹数目决定指状元件数目。假设你希望w/l 等于 800/10。在一些成套工具中，你说 800/10和m,意指你想要 10 个器件，每个器件的w/l 为 80/10。在另一些成套工具中，同样的输入将会给出10 个800/10 器件，结果得到的 w/l 等于 8000/10。然而，在其他成套工具中，你可以独立于总宽度来确定条纹宽度，因此PDK可间接计算出指状元件的有效数目。 Neolinear 公司接受对m系数的上述所有解释，并使用PDK中的信息来选择PDK处理设计时必须采用的语义。NeoCircuit 设置文件实质上是设计环境中回叫功能的复制。譬如，当设计师把原理图上FET器件的宽度增加一倍时，源极面积就翻一番。设置文件反映出这种变化。NeoCell 包括一个存储设计规则的技术文件、用户优先选择权（如，如何使器件交错）和工艺参数。由于NeoCell文件必须包括专用工艺和专用布局布线的全部规则，所以它比NeoCircuit文件长。
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    　　模板物有所值
    
    　　斯坦福大学（美国加州）成立一个叫Barcelona Design(巴塞罗那设计公司)，专门研究有关模拟设计和凸面优化算法的交叉功能边界的确定。它为模拟综合提供了创新的经营方法。该公司提供的综合模板可以通过互联网登录访问。用户可查看该公司网页，选择放大器或数据变换器等模拟电路的模板，提供其要求，选择一个由巴塞罗那设计公司支持的芯片加工厂，并接收加工硅片所需要的所有数据。根据这种原来的经营模式，系统公司可以购买综合平台并将它安装在自己的企业网上，从而生成一个专有的模拟IP开发系统。后来，他们又认识到，模板是很有价值的知识产权。因此，他们改变了公司的营销策略，将公司定位为一个IP（知识产权）供应商，而不是工具的供应商。虽然大的系统公司仍可以经许可复制 Prado 综合平台，但是必须支持他们用来生成生产中所用电路的每个模板的费用。新的经营模式是对最后完成的设计进行收费。按照这种方式，巴塞罗那设计公司经济地分享着其客户的成功，并以传统 EDA 供应商所不可能采用的方式扩大它的收入潜力。由于客户获得有用的模拟模块既需要知识产权又需要综合平台，所以该公司与传统的IP公司相比还享有独特的优势。该公司这