Схемотехническое моделирование в симуляторе Spectre
Для подключения симулятора в САПР Cadence необходимо проделать следующие операции.
1. В окне Composer Schematic выбрать: меню Tools → Analog Environmen (см. рис. 2.1).
а)
б)
Рис. 2.1. а) Запуск Analog Environment (ADE);
б) Внешний вид окна ADE
2. В окне ADE выбрать: меню Setup → Simulator/Directory/Host… В появившемся окне необходимо выбрать симулятор «spectre» (см. рис. 2.2).
Рис. 2.2. Выбор симулятора
В окне ADE доступны различные опции моделирования. В этой лабораторной работе выполняется временное моделирование, для этого необходимо задать тип анализа tran (меню Analyses →Choose…) и все необходимые параметры и точность моделирования, переменные (меню Variables → Edit…), отображаемые на графике выводы (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Окно установки типа анализа
В меню Setup → Model Libraries… устанавливают файл моделей и используемые секции этого файла (см. рис. 2.4).
Рис. 2.4. Окно установки математических моделей
3. Запуск моделирование осуществляется через меню Simulation → Netlist and Run. После окончания моделирования появится окно с результатами (см. рис. 2.5).
Рис. 2.5. Окно с результатами моделирования
2.3. Контрольные вопросы
Назовите основные особенности симулятора Spectre.
В чем основной недостаток данного типа симулятора.
С каким типом файлов работает симулятор Spectre.
Лабораторная работа № 3 «Схемотехническое моделирование в симуляторе UltraSim»
3.1. Цель работы
Научиться моделировать электрические схемы, используя симулятор Cadence® Virtuoso UltraSim и просматривать графические результаты в Cadence® SimVision, а также оценить скорость моделирования симулятора UltraSim и научиться определять наиболее эффективные средства моделирования для различных схем и задач.
3.2. Домашнее задание и методические указания по его выполнению
В последние годы, интенсивно начали развиваться программы моделирования нового поколения, так называемые «быстрые симуляторы». Их применение дает качественный скачок в производительности. Появилась возможность моделировать БИС объемом в десятки и сотни миллионов узлов с точностью и требованиями к вычислительным ресурсам, близкими к традиционным программам моделирования (рис. 3.1).
Решение, предлагаемое Cadence на данном сегменте рынка, - платформа Virtuoso и система FastSPICE Ultrasim. Наряду с известными системами моделирования, Ultrasim интегрирован в общую среду разработки Virtuoso и дает возможность быстро получить решение с приемлемой точностью при возрастании сложности проекта на несколько порядков.
Рис. 3.1 Возможности систем моделирования различных поколений
Технические требования к аналоговым, заказным цифровым, радиотехническим и смешанным проектам росли экспоненциально в последнее десятилетие (рис. 3.2). Экономические факторы и конкуренция на рынке электроники вынуждают разработчиков применять новые технологии и объединять прежде независимые блоки на одном кристалле (System-On-Chip, SOC). Многие производители переходят на современные технологии проектирования по нормам 0.13 мкм – 65 нм, и совмещают аналоговое проектирование, с нанометровыми цифровыми дизайнами. Более того, основой цифрового проектирования является использование библиотек стандартных и специализированных заказных блоков, разрабатываемых с применением средств аналогового моделирования.
Рис. 3.2. Взаимосвязь технологии, сложности и стоимости проекта
Сложность, объем современных проектов, и новые физические эффекты требуют соответствующих технологий заказного проектирования, объединяющих возможности быстрого нисходящего (top-down) проектирования с точностью восходящего (bottom-up) проектирования, идущего от кремниевой реализации. Meet-in-the-middle – современная методология, сочетающая в себе скорость и точность (рис. 3.3).
Наиболее передовые разработчики уже активно используют методологию Meet-in-the-middle. Однако ее эффективность сильно ограничена неадекватностью средств проектирования.
Платформа для заказного проектирования Virtuoso является понятной системой для быстрого и точного проектирования, оптимизированной для технологии meet-in-the-middle (рис. 3.4), например Analog Custom Design (ACD).
Рис. 3.3. Метод проектирования Meet-in-the-middle
Рис. 3.4. Процесс проектирования с помощью платформы Vittuoso
В Virtuoso входит среда, определяемая спецификацией, многорежимное моделирование, имеющее общий синтаксис, модели и системы уравнений, значительно ускоренные слои и объединенная на уровне всего кристалла, а также среда смешанного моделирования.
Virtuoso поддерживает моделирование с использованием различных уровней абстракции моделей - от чисто поведенческого на верхнем системном уровне до точных, откалиброванных по экспериментальным данным на нижнем, наиболее детальном уровне. Уровни абстракции физического дизайна меняются от оценочных на ранних стадиях, до финальных трассировки и экстракции. Кремниевый анализ, основанный на расширенных моделях полупроводниковых приборов, прецизионной экстракции и средствах анализа, дают адекватную информацию в течение всего процесса проектирования.
В зависимости от сложности и объема решаемых задач, Vittuoso ADE (Analog Design Environment) может интегрировать различные системы аналогового моделирования (Spice, Spectre, UltraSim, Multi-mode Simulation), обепечивать обратную аннотацию паразитных параметров, экстрагируемых с помощью Assura RC, поддерживать кросс-пробинг между схемным вводом (Virtuoso Schematic Editor), топологическим редактором (Virtuoso Layout Editor) и системой анализа результатов моделирования.
Платформа Virtuoso может работать с базой данных Cadence CDBA или с базой OpenAccess. С этой платформой, возможно быстрое проектирование с высоким выходом годных для геометрий от 1 мкм до 90 нм и менее.
Система моделирования Virtuoso Spectre
Virtuoso® Spectre® - это современная система аналогового моделирования, использующая прямые методы моделирования на уровне дифференциальных уравнений. Функциональные возможности Spectre и SPICE во многом сходны. Spectre и SPICE в основе используют одни и те же базовые алгоритмы, – такие как неявные методы интегрирования, метод Ньютона или матричные методы решения систем уравнений, - но реализация алгоритмов в Spectre существенно отличается. Таким образом, Spectre имеет ряд преимуществ по сравнению со SPICE. Среди них -
способность решать системы большей размерности вследствие более эффективного распределения памяти и более эффективных алгоритмов; более высокая точность как результат применения ряда продвинутых моделей полупроводниковых приборов, среди них BSIM3v3, MOS0, MOS 9, EKV, BTA-HVMOS, BTA-SOI, VBIC95, TOM2, HBT и другие;
модели сохранения заряда;
улучшенный анализ Фурье;
лучший метод контроля погрешности (ошибки округления lte и 1-й закон Кирхгофа);
адаптивный алгоритм управления шагом интегрирования;
методы анализа радиотехнических схем (PSS, PAC, PXF, Pnoise, Pdisto, ...);
смешанное аналого-цифровое моделирование совместно с Verilog-XL – легко моделируются десятки тысяч транзисторов в аналоговой части и десятки тысяч логических элементов в цифровой.
Система моделирования Virtuoso UltraSim
Virtuoso® UltraSim® - это современная высокоскоростная система, предназначенная для моделирования схем объемом в десятки и сотни миллионов узлов и позволяющая, в том числе, моделировать цифровые БИС на аналоговом уровне с учетом экстрагированных паразитных RC параметров.
Основные характеристики системы моделирования UltraSim :
эффективные алгоритмы моделирования для технологии pre- и post-layout, для аналогового и смешанного моделирования, устройств памяти и цифровых схем, с точностью близкой к SPICE, со значительным ускорением по сравнению со SPICE и практически неограниченными объемами для иерархических проектов;
поддерживаются форматы Spectre и HSPICE, язык Verilog-A, форматы postlayout - detailed standard parasitic format (DSPF), standard parasitic exchange format (SPEF) а также язык Verilog®;
поддержка формата digital vector file, Verilog® форматы - value change dump (VCD) и extended VCD (EVCD);
форматы SignalScan Turbo 2 (SST2), fast signal database (FSDB), parameter storage format (PSF) и семейство форматов для сохранения сигналов WDF;
продвинутые алгоритмы RC-редукции для моделирования post-layout;
поддержка всех основных моделей транзисторов Spectre и HSPICE, включая BSIM3, BSIM4, BSIMSOI, TFT, HVMOS, BJT, Mextram, Hicum, VBIC и модель ячеек памяти flash;
проверки времени установления и удержания, времени нарастания и спада, а также ширины импульса;
анализ мощности на уровне элемента, подсхемы и всего кристалла;
проверки на уровнях проекта и приборов, в том числе проверка напряжений на приборе, высокоимпедансный анализ узлов, анализ утечек по постоянному току и подробные проверки токов;
анализ шума, отслеживающий эффекты voltage overshoot (VO) и voltage undershoot (VU) в узлах;
моделирование IR drop;
быстрый анализ по огибающей для высокопроизводительного анализа переходных процессов в радиотехнических схемах;
анализ надежности, в том числе hot carrier degradation (HCI), negative bias temperature instability (NBTI), моделирование старения, совместимость с командами Virtuoso RelXpert;
С-интерфейс для макромоделирования UCI для реализации аналоговых или цифровых макромоделей, например PLL, блоков памяти, ADC/DAС;
интерфейс для расчета надежности URI для реализации специфических моделей надежности;
интерфейс UWI для разработки специальных форматов выходных данных.
Математический аппарат UltraSim используется со следующими инструментами Cadence:
AMSUltra для Verilog/VHDL - совместного моделирования с NCSIM;
UltraSimVerilog для смешанного аналого-цифрового моделирования с VerilogXL;
аналоговая опция VoltageStorm (VAVO) для анализа цепей питания аналоговых и смешанных схем;
аналоговая опция ElectronStorm (VAEO) для анализа электромиграции аналоговых и смешанных схем;
VoltageStorm для анализа цепей питания цифровых схем и анализа всего дизайна.
В рамках платформы Virtuoso, UltraSim тесно интегрируется с существующими системами. Цель интеграции - предоставление пользователю стандартных вычислительных блоков на выбор, в зависимости от характера схемы, ресурсов и требований.
Унификация интерфейсов Ultrasim и Spectre – CMI, UWI, SFE, ... .
Общая тестовая регрессия – более 7000 тестов.
Общие модели полупроводниковых приборов, поддержка CMI. Новая версия, CMI 4.0.
Система UltraSim проходит тестирование на тех же тестах, поддерживает все режимы и последовательности среды проектирования Virtuoso.
С использованием современной FastSPICE технологии Virtuoso UltraSim, система моделирования позволяет выполнять высокопроизводительное, аналоговое или смешанное моделирование всей системы. Поддержка многих языков описания объектов обеспечивает независимость языка и уровня абстракции в методологии проектирования. Обобщенная реализация полупроводниковых приборов в системах моделирования, входящих в платформу Virtuoso, гарантирует высокую точность результатов. С учетом RC-редукции, с помощью UltraSim и Virtuoso стало возможным решение ранее недоступных задач полной и точной верификации проекта после фазы разработки топологии на нанометровых технологиях.