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仿真器进展到下一个积分步长,积分方法必须重复来得到新的线性方程组。
如果信号变化得
特别快,积分步长应该取得非常小以便积分方法能收敛到正确的解。
因此瞬态分析需要大量
的数学操作。
随着IC集成度的增加,利用电路级仿真器来仿真整个IC芯片的行为已不再可行。
因此,
必须寻找新的技术和方法。
由于大部分IC设计仅仅包含数字功能,因此可以把整个芯片建
模为互连的逻辑门集合。
由此产生相应的仿真方法,叫做门级仿真或逻辑仿真。
每个逻辑门
的输入被假设仅仅认识两个状态:
逻辑1和逻辑0。
另一个附加状态通常用来建模开路输入
和迷惑的短路输出的影响:
中间状态‘X’。
第四个状态‘Z’用来表示高阻的三态输出。
通
过模型的这种假设,已使得仿真器能处理数千个晶体管的电路,而只损失小量的信号精度。
这样每个模型的输出只需要通过输入状态的布尔运算就能得到。
这些运算大大低于电路级仿
真的算术运算。
门的输出状态赋一个值之后,它将一直保持不变直到它收到新的输入状态。
因此门级仿真器仅仅只在输入状态发生改变的时刻才去评估门的模型。
这意味着每个模型只
在离散的多个时间步被要求激活,而电路级仿真则要求在每个时间步都进行评估。
用在数字
仿真器中的方法叫做事件驱动法,而模拟仿真器叫做连续的方法。
采用离散方法的数字仿真
器比模拟仿真器快数百倍。
有些数字仿真器还引入驱动能力的概念。
当前典型的数字仿真器
能处理28个状态逻辑:
4个逻辑状态,每个状态有7个不同的驱动能力,表示不同类型的
技术和连接。
门级仿真通过建模每个状态的传输延迟,能提供有限的时序信息。
这可用来侦
察某些例外,假信号和竞争条件。
由于MOS技术的采用,在逻辑门建模MOS为电压控制开关成为可能。
产生的逻辑门
模型几乎与电路级仿真器中基于晶体管的模型一样的精确。
控制端口的节点电压决定开关的
状态。
这个方法的效率低于门级仿真,但高于电路级仿真。
通常称之为开关级仿真,已经成
为MOS数字IC设计的推荐形式。
但是它不适合双向传输晶体管工艺,因为双向传输晶体
管不能精确地建模为电压控制开关。
它也不适合仿真模拟功能,因为开关模型只处理两个不
同状态:
开和关。
随着IC设计抽象度的进一步提高,适合更高抽象级的仿真器已经开发出来。
这通常叫
做行为级仿真器,因为系统通常建模为功能模块集合。
行为级的仿真器支持组合和时序数字
逻辑,有些也支持模拟功能。
2混合信号仿真的必要性
但是上面描述的仿真器没有一个能同时实现复杂VLSI仿真所要求的
效率和低级模拟功能仿真所要求的精度。
因此应该开发出一类新的仿真器来解决这个问题。
这些仿真器叫做混合信号仿真器。
它们尝试把数字和模拟仿真集成到到单一进程中。
目前出现了大量的实验和商用的混合信号仿真器。
它们通常组合已有仿真器中的两个或
多个方法,对数字和模拟仿真在精度和效率方面达到最好的权衡。
但是目前还没有广泛接受
的权衡解决方案。
商用的混合信号仿真器致力于组合已有的数字和模拟仿真器,而研究者却
在探索新的算法和技术去开发实验型仿真器。
随着混合信号IC设计的快速增长,对混合信
号仿真的需求也越来越多。
因此混合信号仿真器的研究和开发显得越来越重要。
下面我们将
仔细分析目前已有的仿真技术,为新方法的研究提供必要的参考。
3商用混合信号仿真技术和方法
目前存在的混合信号仿真器基本上可以按结构和组合方法进行分类。
如果以模拟和数字
仿真方法组合的方式来划分的话,可以分为四类:
手工型,偶合型,扩展型和集成型。
如果
以组合的数字和模拟仿真器的结构来划分的话,可以分为五类:
顺序型,配对型,单模式,
巢套型和基于框架型。
这些划分会相互重叠。
例如偶合型仿真器可能有配对型,巢套型或基
于框架型的结构。
扩展型和集成型仿真器可以有单模式结构。
3.1手工型
手工型的混合信号仿真器采用分开的模拟和数字仿真器。
数字仿真器从电路的数字部分
产生输出波形。
这些波形被用来产生模拟部分的输入信号。
模拟部分的输出信号也用来为接
下来的数字部分产生输入信号。
数字仿真器然后又利用这些信号进行运算。
这种手工方式是
繁琐的,并且不可靠。
因为信号的转换和仿真器的控制都是靠手工来完成。
如果数字和模拟
部分存在反馈路径,情况将会更加糟糕。
这种方法几乎不被采用,除了某些尝试级的设计工
具。
例如MCE的Bx设计系统。
它采用HSPICE和自己的逻辑仿真器来分别仿真MCE混合
信号门阵列的模拟和数字部分。
3.2偶合型
偶合型的混合信号仿真器是把电路级仿真器与逻辑仿真器连接在一起。
根据偶合的强度
和本质,通常又能分成几类。
偶合形式最弱的是顺序仿真器。
它与手工型的仿真器类似,只是模拟与数字部分之间的
数据转换是自动的。
每个仿真器仅仅考虑一个向前的电路路径。
一系列的输入向量被处理,
产生出一系列的输出结果。
这些结果又作为接下来的电路模块的输入向量。
这种仿真器不适
合数字和模拟部分有反馈的电路。
目前很少被使用,因为大部分混合信号IC在数字与模拟
部分都有反馈路径。
Daisy公司曾经开发过这样一个仿真器,叫做‘A/DLab’,现在已不再
使用。
配对型的方法是把模拟和数字仿真器偶合得更紧密一些,以致它能处理反馈情况。
它与
顺序型方法的主要区别是数字和模拟仿真器是并行运行的。
这要求计算环境能支持并行处
理。
由于数字和模拟仿真器是同时运行的,当它们需要从一个往另一个传输数据时必须保持
同步。
在目前的商用混合信号仿真器中,主要有两种同步机制。
一种叫做“锁步”(lock-step)
同步法。
它把数字和模拟仿真器的时间基底紧紧地锁在一起,以致没有谁能运行到另一个前
面很远。
这种方法非常适合数字与模拟部分存在大量的相互作用。
采用这种方法的混合信号
仿真器有Cadence的(Verilog+Cadnece’sSPICE),Viewlogic的(ViewSim+PSPICE)和
Genrad(SHADO:
SystemHilo+Eldo)。
另一个同步方法是“跳蛙”法。
它允许每个仿真器更加
独立的运行,直到它碰到一个来自另一个仿真器的事件。
这种松散的偶合非常适合数字与模
拟部分只有少量的相互作用。
它也简化了数字和模拟仿真器集成到一个进程中的操作。
使用
这种技术的最有名的例子就是专利算法“Calaveras”。
Saber模拟仿真器就是采用这种技术。
巢套型的方法是在单个管理进程的控制下偶合两个或更多的仿真器机制。
这些仿真器机
制每个都实现不同的算法,以致混合信号系统的各个部分都能用最合适的方法进行分析。
它
与配对型方法的主要区别是仿真管理器仅仅在需要的时候才处理电路描述和波形,并且激活
最合适的仿真机制。
仿真管理器因此能以相同的方式来控制仿真,在不同算法之间传递和接
受数据。
一个巢套仿真器可以用自包含的程序来实现,把程序和数据传输完全掩藏。
也可以
采用UNIX的socket来进行数据传输。
采用socket将产生非常有弹性的巢套仿真器,因为
它能比较容易地增加,删除或更新仿真机制。
如果采用网格计算将会提高仿真速度。
主要不
足之处在于数据传输时的时间开销。
因此它非常适合不同模块数据传输非常少的电路。
这种
巢套仿真器的一个例子就是Meta-Software的HSPICE与SiliconCompilerSystem的LSIM的
组合。
基于框架的方法是最近才出现的新的技术。
框架的概念就是对于设计所需的所有CAD
工具都集成到一个单一环境中,并且访问公共数据库。
理想的框架应该允许终端用户用一致
的方法来选择来自不同供应商的工具,并把它们集成到一个定制的设计环境中。
这个概念类
似于计算机的操作系统。
一个框架管理器进程来管理数据库的访问和工具的控制。
这可以看
作是巢套仿真器的仿真管理器进程的扩展。
一个好的框架应该支持各种各样的仿真器的集
成。
框架管理器能自动选择最合适的机制来仿真特别的设计。
每个CAD工具必须能处理标
准的控制和数据界面。
不幸的是目前没有完善的框架标准。
CFI组织正在建立EDA工具框
架体系和标准,希望能对此有帮助。
目前Cadence和Mentor都已有自己的框架。
但是只有
少数第三方的工具能与它们兼容。
3.3扩展型
扩展型的混合信号仿真器主要是针对数字或模拟占优的电路。
这儿已经有一些数字或模
拟仿真器通过扩展能处理另一个领域的仿真问题。
模拟占优的电路通常通过扩展模拟仿真器
来进行有效地仿真。
Saber就是一个扩展模拟核的仿真器。
Saber能在行为级和SPICE兼容
级上操作。
Saber作为混合信号仿真器的性能更靠近于偶合仿真器。
Saber的模型由微分方
程组和SPICE中的半导体模型组成。
模型是采用MAST语言描述。
PSPICE是另一个基于
SPICE的扩展仿真器。
最近DolphinIntegration公司发布了一个SMASH仿真器。
它也是一
个扩展模拟核的仿真器。
它采用一个基于C语言的硬件描述语言,支持模拟行为级模型和
标准的SPICE模型。
数字仿真工作在开关级或行为级模型。
DolphinIntegration已经宣布在
下一个版本中将支持Verilog写的数字模型。
LSIM是一个扩展数字核的混合信号仿真器。
它包含一个叫做“Adept”的电路级仿真算法。
“Adept”与SPICE的精度相当,但速度得到
了很大改善。
SierraSemiconductor公司已经决定采用LSIM作为他们的Montage仿真器的基
础。
3.4集成型
一个理想的集成型混合信号仿真器应该是处理单一电路描述,并且产生单一输出文件。
所有的处理过程都在一个单一程序中进行,以致没有时间浪费在分开的模拟与数字仿真进程
或程序的同步过程中。
这是最有效的混合信号仿真器。
目前还没有这样的仿真器出现,实现
的技术还在研究中。
主要问题在于模拟与数字模型的本质不同。
由于模型必须采用一个集成
数据格式,来自存在的仿真器中的模型不能兼容。
这意味着要花大量的努力来创建部件模型
库。
80年代中期,Silvar-Lisco公司发布了一个混合信号仿真器:
ANDI。
当时它的性能和容
量已经超过偶合型仿真器。
但结果是没有得到广泛使用。
主要是CAD厂商为了降低开发成
本而把精力放到已有的偶合仿真器上。
4实验混合信号仿真技术和方法
70年代以来,在大学和研究实验室里,许多研究人员对混合信号仿真技术进行了大量
的研究工作。
这也导致了大量新的仿真方法和混合信号仿真器的出现。
有些已经合并到商用
的仿真器之中。
这方面的研究进展主要体现在如下几个方面。
第一,有些研究者通过扩展标准的SPICE仿真器来尝试产生一个集成的混合信号
仿真器。
这里有两个比较有名的例子。
Allen与Zuberek扩充了一个SPICE
兼容的电路仿真器。
它包括一个门级的事件驱动数字仿真算法。
电路可以用
扩展版本的SPICE网表来描述。
与传统的电路级仿真器相比,速度有很大
程度的提高。
但由于SPICE算法的本质限制,它不适合于大的混合信号电
路。
Chain把类SPICE仿真器与一个开关电容仿真器集成起来,叫做
SPICE-SCAN。
它的性能也有很大的提高。
Chain宣称正准备与Cadence的
Verilog数字仿真器集成起来提供一个完整的混合信号仿真器。
第二,有些研究者致力于利用松弛法代替SPICE的节点分析法。
松弛技术克服了
SPICE中直接法的缺点,允许把大电路划分成能分开处理的小模块。
每个分
开块的矩阵能更有效地求解。
积分步长也不用所有模块保持相同。
每个模块
都能选择自己最优化的时间步长。
这使得松弛技术在仿真大电路比SPICE
更有效率。
第一个采用松弛技术的电路仿真器是Chawla,Gummel和Kozah
开发的MOTIS仿真器。
它采用一个可查的表格来实现晶体管模型,比类
SPICE仿真器快两个数量级以上。
它也采用了选择路径算法来自动叉开没激
活的电路节点。
Eldo采用的是一步松弛技术,已经成为一个有名的模拟仿
真器。
RELAX2采用的是波形松弛技术。
基于松弛的技术非常适合并行处
理,因为分开的块不是紧偶合的,可以独立处理。
第三,有些研究者致力于研究时序仿真器。
时序仿真器是利用比开关级仿真器更精
确的模型来为数字电路提供精确的仿真。
他们充分利用数字电路事件驱动的
本质来增强类SPICE电路仿真器的性能。
前面提到的‘Adept’算法就是属
于这一类。
MOTIS时序仿真器经历了两个版本MOTIS2和MOTIS3。
每个
版本都改善算法来提高性能和扩大仿真电路的范围。
Chadha等基于MOTIS3
开发了多级混合信号仿真器:
M3。
它被设计用来在行为级建模模拟电路。
Ackland和Clark开发了一个实验型时序仿真器:
Event-EMU。
它利用事件
驱动和松弛技术,提供了更高的性能,而精度却没有什么损失。
Event-EMU
不直接支持模拟部分,但它能适应做这些,因为它包含MOS晶体管,电阻,
电容和电流源的模型。
第四,有些研究者致力于改变信号的表示方法来改善仿真器的性能。
通常人们都采
用分段线性波形(PWL)表示法来作为信号的表示。
PWL是建模电子部件
通用的和功能强大的方式。
所有的部件和信号都能以统一的方式建模。
它能
支持宏模型和混合级抽象,并且有很好的收敛特性。
IDSIM2是Overhauser
开发的一个时序仿真器。
它采用波形的斜坡(ramp)表示和分段线性表示。
ILLIADS类似于IDSIM2,也采用了PWL表示,但使用了新的MOS电路模
型和改善的波形松弛技术。
它们都采用了动态窗口技术来处理反馈问题。
PLATO也是一个采用PWL表示的混合信号仿真器。
它利用事件驱动算法来
进行瞬态分析。
事件包含两类:
PL事件和动态事件。
PL事件发生在向量到
达PWL片段的终端,而动态事件发生在特定模型的积分步长变得无效时。
PLANET与PLATO类似,只是采用了层次算法使得效率更高。
Visweswariah
和Rohrer在SPECS中利用分段线性和分段常数波形。
这个仿真器利用I-V
特性的实验表模型来表示电子器件。
电压使用PWL波形,而电流使用PWL
常数波形。
第五,还有一些研究者研究模拟功能的行为级模型。
行为级模型的仿真速度会大大
超过类SPICE和基于松弛技术仿真器的晶体管模型。
创建与晶体管模型保
持类似精度的行为级模型是可行的,并且它有广泛的应用领域。
例如在自顶
向下的系统设计和ASIC设计使用的Cell库。
Rumsey和Sackett开发了一个
混合信号行为仿真器:
AMP。
它是基于Lapace变换,采用了黑盒模型。
5总结和展望
在混合信号仿真器的领域中,已经有大量的研究和开发活动。
随着计算机技术和编程技
术的发展,已经有一些复杂的仿真方法和工具产生出来,但是适合大规模混合信号电路的集
成混合信号仿真器还是没有发布出来。
商业CAD开发商已经尝试利用各种方法来偶合存在
的数字和模拟仿真器。
他们能够利用已有的部件模型,但并没有产生最有效的仿真器。
实验
型的仿真器虽然采用了新的技术,并且在某些应用领域取得了希望的结果,但并不是一个通
用的仿真器。
要想开发出适合大规模混合信号电路的集成混合信号仿真器,必须清楚地知道影响仿真
器效率的本质因素。
任何仿真器的效率都依赖仿真模型的本质和它们之间传递信息的信号。
数字仿真器关心的是离散电压值,而模拟仿真器则关心连续电压变化。
因此理想的混合信号
仿真器应该与数字仿真器一样有效地表示模拟电压和电流。
PWL波形表示法应该是很有前
途的方法。
对于仿真模型的发展方向,应该尽快建立完善的行为级模型。
只有在最高抽象级
才能取得最好的效率。
期待真正的集成混合信号仿真器的早日出现。
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