模擬電路設(shè)計(jì)面對(duì)的節(jié)點(diǎn)和代工挑戰(zhàn)

模擬設(shè)計(jì)從來都不容易。工程師們可以把整個(gè)職業(yè)生涯都花在鎖相環(huán)（PLL）上，因?yàn)橐屗鼈冋_，就需要深入了解電路的功能，包括它們?cè)诓煌闹瞥踢吔绾筒煌闹圃旃に囍械捻憫?yīng)。

在FinFET時(shí)代，這些挑戰(zhàn)在模擬電路中愈演愈烈。例如，重用在數(shù)字設(shè)計(jì)中是很常見的做法，但是它并沒有應(yīng)用到模擬設(shè)計(jì)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)中，因?yàn)槟M電路的微縮不能超過某個(gè)特定的界限。

從技術(shù)上講，這種情況有幾個(gè)原因。西門子Mentor公司模擬/混合信號(hào)驗(yàn)證部門產(chǎn)品營(yíng)銷與管理總監(jiān)Mick Tegethoff表示：“高精度模擬設(shè)計(jì)人員不會(huì)對(duì)重用和遷移感到滿意，因?yàn)榕e例來說，模擬技術(shù)中沒有任何工具可以保證時(shí)序收斂。我們看到傳統(tǒng)的模擬設(shè)計(jì)師花了很多時(shí)間去真正理解設(shè)計(jì)的功能。”

在FinFET節(jié)點(diǎn)中出現(xiàn)的越來越多的物理和靜電效應(yīng)迫使工程團(tuán)隊(duì)將遷移作為一種選擇，并重新考慮架構(gòu)、設(shè)計(jì)電路，同時(shí)進(jìn)行更多的驗(yàn)證。

Tegethoff表示：“推動(dòng)這一切的是更小的幾何圖案，它實(shí)際上包含一些有助于模擬設(shè)計(jì)的特性。從某種意義上說，模擬器件的微縮會(huì)使漏電流之類效應(yīng)得到改善，但它的微縮并不像數(shù)字器件。這不是那種只要微縮就能完成的事情。有些事情確實(shí)使它變得更加困難。對(duì)于高精度ADC、PLL和精密模擬電路，當(dāng)你遷移到越來越高級(jí)的節(jié)點(diǎn)時(shí)，器件本身的隨機(jī)噪聲就會(huì)成為不可忽視的主要因素，這需要在仿真中加以考慮?！?/p>

For the two types of noise that are on transistors — thermal noise and flicker noise — transient noise analysis can be run within SPICEsimulation. “This is a time-domain analysis, but at every time step it inserts the random noise for each of the devices,” Tegethoff said. “And while it does make stimulation take longer, design teams can simulate complex PLLs or high precision ADCs in the time domain to see it locking, see its stability.

對(duì)于晶體管上的兩種噪聲類型——熱噪聲（thermal noise）和閃爍噪聲（flicker noise），可以在SPICE仿真中運(yùn)行瞬態(tài)噪聲分析。Tegethoff說：“這是一種時(shí)域分析，但每一步都為每個(gè)器件插入隨機(jī)噪聲。雖然它確實(shí)能使仿真花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間，但設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以在時(shí)域仿真復(fù)雜的PLL或高精度ADC，以觀察它的鎖定或穩(wěn)定性?！?/p>

圖1：數(shù)字與模擬信號(hào)。（來源：維基百科）

另一個(gè)越來越大的挑戰(zhàn)涉及互連電阻，這個(gè)問題在每個(gè)新節(jié)點(diǎn)上都日益嚴(yán)重。對(duì)于互連，互連本身的電阻和電容必須在電路的仿真中進(jìn)行考慮。否則它就會(huì)不準(zhǔn)確。導(dǎo)體越薄，電阻越大。

Tegethoff說：“如果晶體管的輸出與另一個(gè)晶體管連接在一起，那么在以前，你可以把它看成是零電阻的理想導(dǎo)線。現(xiàn)在它有了一定的電阻，這就意味著在電路layout之后，必須提取layout寄生參數(shù)。這些必須反饋到原理圖中，并在包含所有內(nèi)容的情況下再次進(jìn)行模擬。這將導(dǎo)致電路上的元件數(shù)量增加100,000倍，從而仿真時(shí)間要長(zhǎng)得多。如果你使用電阻進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)它不符合規(guī)范，那么你必須返回，更改內(nèi)容并再次進(jìn)行模擬——更不用說需要進(jìn)行額外的驗(yàn)證?！?/p>

在模擬IP中，驅(qū)動(dòng)復(fù)雜性的其他因素包括器件本身的可變性，這需要蒙特卡羅類型的分析來確?？勺冃允强煽氐?。器件的行為特性依賴于layout內(nèi)容和環(huán)境，而這通常是由layout依賴效應(yīng)（LDE）所導(dǎo)致的。Cadence設(shè)計(jì)IP高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Muthu Vairavan表示，這些效應(yīng)顯著增加了設(shè)計(jì)和layout之間的迭代。

Vairavan說：“此外，由于復(fù)雜的設(shè)計(jì)規(guī)則，使用多重曝光印制這些低級(jí)幾何圖案增加了通常的layout周期。模擬設(shè)計(jì)人員還需要考慮與線邊緣粗糙度相關(guān)的不匹配效應(yīng)和這些低級(jí)特征尺寸的互連變化。FinFET的出現(xiàn)給模擬設(shè)計(jì)帶來了額外的限制，因?yàn)槠骷挾痊F(xiàn)在必須是鰭片的離散倍數(shù)（與平面晶體管不同）。這些器件還容易受到鰭片寬度和高度制造變化的影響，以及通孔和互連電阻的影響，這使得模擬匹配變得復(fù)雜。”

盡管模擬設(shè)計(jì)人員和工具供應(yīng)商已采用新的設(shè)計(jì)方法和工具流程來適應(yīng)這些變化，但每個(gè)節(jié)點(diǎn)都帶來了新的復(fù)雜性，導(dǎo)致成本和上市時(shí)間的挑戰(zhàn)。Vairavan指出：“在高性能企業(yè)應(yīng)用中看到的一個(gè)日益增長(zhǎng)的趨勢(shì)是，從SoC轉(zhuǎn)向系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）設(shè)計(jì)，其中多個(gè)模擬和數(shù)字芯片集成在封裝內(nèi)。這使得數(shù)字設(shè)計(jì)能夠轉(zhuǎn)移到高級(jí)節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化，但仍然使用來自舊節(jié)點(diǎn)的經(jīng)過驗(yàn)證的模擬IP。這得益于多芯片模塊和2.5D集成技術(shù)的進(jìn)步，以及高帶寬、低功耗封裝內(nèi)互聯(lián)的可用性的提升?！?/p>

但是，對(duì)于低成本的系統(tǒng)應(yīng)用來說，挑戰(zhàn)仍然存在，封裝級(jí)集成的成本增加是不合理的。Vairavan補(bǔ)充說：“即使在高性能數(shù)據(jù)中心和云應(yīng)用中，關(guān)鍵的混合信號(hào)設(shè)計(jì)，比如非常高速的基于DSP的SerDes，也將受益于更高密度和更低功率的高級(jí)節(jié)點(diǎn)。因此，模擬設(shè)計(jì)人員需要繼續(xù)創(chuàng)新，代工廠商和工具供應(yīng)商需要在模擬設(shè)計(jì)早期的工藝和工具開發(fā)周期中加入模擬設(shè)計(jì)反饋，以緩解這些挑戰(zhàn)。模擬IP是許多SoC設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵區(qū)別，它們的性能和質(zhì)量對(duì)于這些產(chǎn)品的成功至關(guān)重要?！?/p>

圖2：并非所有東西都可以數(shù)字化（來源：Center Point Audio）

節(jié)點(diǎn)和代工挑戰(zhàn)

模擬電路的工藝遷移一直都很棘手，但在FinFET領(lǐng)域，它已經(jīng)成為一個(gè)更大的問題。

ArterisIP技術(shù)顧問Ed Petrus解釋說：“因?yàn)橄冗M(jìn)節(jié)點(diǎn)面臨的挑戰(zhàn)，人們稱之為遷移的舊技術(shù)或多或少與壓縮有些相似，例如，在現(xiàn)有l(wèi)ayout中，350nm等較舊節(jié)點(diǎn)的PLL會(huì)增加一個(gè)0.X的乘數(shù)因子。對(duì)于模擬電路而言，這一直是個(gè)問題，因?yàn)槟M電路對(duì)于匹配這樣的設(shè)計(jì)技術(shù)提出了非常嚴(yán)格的要求，當(dāng)有兩根導(dǎo)線進(jìn)出某種差分電路時(shí)，這兩根導(dǎo)線的電流必須匹配。這是通過在該電路中非常嚴(yán)格地放置器件來實(shí)現(xiàn)的。舊式的壓縮的問題在于，因?yàn)樗且环N算法，它不理解這些嚴(yán)格的要求。在模擬世界中，這些稱之為約束。這些匹配的要求最終會(huì)通過壓縮在不知不覺中被破壞。因此，最終的電路將無法正常工作?！?/p>

這個(gè)問題從180nm開始就存在。在此之下，一切都需要重新設(shè)計(jì)。

Petrus表示：“器件的特性發(fā)生了很大的變化，設(shè)計(jì)人員必須重新審視電路，并確定電路的現(xiàn)有類型是否真的適用于新節(jié)點(diǎn)。如果它可以工作，那么topology將得以保持，器件尺寸也會(huì)得到調(diào)整，這通常足夠了。但對(duì)于高級(jí)節(jié)點(diǎn)來說，這是不太可能的，所以設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)最終會(huì)回到電路并重新設(shè)計(jì)大部分內(nèi)容?！?/p>

高級(jí)工藝節(jié)點(diǎn)根本不是在考慮模擬特性的情況下創(chuàng)建的。它們是為了數(shù)字電路的面積微縮而開發(fā)的。

Synopsys的產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Manuel Mota表示：“實(shí)際情況是，模擬電路和模擬接口最終需要集成到數(shù)字模塊中，當(dāng)然，設(shè)計(jì)這些模塊的人和想要集成它們的人確實(shí)面臨著挑戰(zhàn)，這是可以解決的?！?/p>

這些挑戰(zhàn)源自工藝的內(nèi)在特性。Mota說：“其中的一些效應(yīng)甚至開始出現(xiàn)在大批量工藝中，使用FinFET影響會(huì)更明顯。而且，這些器件本身要復(fù)雜得多，而且它們的建模也變得更加復(fù)雜，并且更難以使用。特征不再依賴于內(nèi)在器件的直接鄰近?，F(xiàn)在，鄰近效應(yīng)（proximity effects）已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了通常的效應(yīng)，設(shè)計(jì)師們?cè)僖膊荒芗僭O(shè)晶體管的某些特性來設(shè)計(jì)了。必須假設(shè)它是在一個(gè)大回路中，并且必須考慮周圍產(chǎn)生的所有這些影響。這不僅適用于器件，也適用于器件周圍的連接。所以把一個(gè)器件和另一個(gè)器件連起來同樣相當(dāng)復(fù)雜?！?/p>

即使使用金屬疊層，過去也可以認(rèn)為它們幾乎是理想的，但是現(xiàn)在的電阻、電容和寄生效應(yīng)在整個(gè)電路設(shè)計(jì)的特性中都扮演著重要角色。此外，還有與FinFET相關(guān)的效應(yīng)。

Mota說：“你不能再任意設(shè)計(jì)你想要的柵寬度和柵長(zhǎng)度，在過去這是可能的。這對(duì)于模擬設(shè)計(jì)的意義是，首先，該工藝通常對(duì)模擬設(shè)計(jì)的特征較少，因此對(duì)電路的電氣特性有更多的不確定性。你必須遵守和驗(yàn)證的規(guī)則要復(fù)雜得多，驗(yàn)證設(shè)計(jì)也變得更加耗時(shí)，在高級(jí)節(jié)點(diǎn)中可以輕而易舉地增加3、4倍。”

此外，過去在非常保守的電模擬節(jié)點(diǎn)（如老化和可靠性）中，一些設(shè)計(jì)不敏感的東西現(xiàn)在卻至關(guān)重要，尤其是在汽車、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。

Mota說：“你需要對(duì)它們進(jìn)行設(shè)計(jì)并驗(yàn)證一切。這再次延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期。而在模擬方面，在仿真過程中，如果你正在處理電壓和電流的精細(xì)演變，這可能意味著非常長(zhǎng)的驗(yàn)證周期。這是主要的挑戰(zhàn)之一。然后，當(dāng)談到工藝和器件的特性時(shí)，它們并不一定是模擬設(shè)計(jì)的理想選擇，假設(shè)你有一個(gè)以數(shù)字為中心的設(shè)備，它的模擬特性很差。也許它們從模擬的角度進(jìn)行了很差的建模，而這些通常不會(huì)被現(xiàn)代模擬設(shè)計(jì)所解決，傳統(tǒng)技術(shù)無法解決您想要?jiǎng)?chuàng)建線性設(shè)計(jì)的問題。在某種程度上，你做的恰恰相反。你得承認(rèn)這個(gè)工藝并不好，得接受這個(gè)工藝的特點(diǎn)和你正在設(shè)計(jì)的晶體管的特性不是很好。你所做的就是利用這個(gè)工藝中的優(yōu)點(diǎn)，比如器件豐富。在這個(gè)工藝中，你可以有幾百萬個(gè)門，基本是免費(fèi)的，而且可以進(jìn)行校準(zhǔn)?！?/p>

Tegethoff說：“鑒于所有這些，權(quán)衡是一個(gè)微妙的平衡。如果你有關(guān)于電路的知識(shí)并且確實(shí)遷移，那么有時(shí)必須調(diào)整電路。你運(yùn)行的驗(yàn)證越多，運(yùn)行的仿真越多，運(yùn)行的變異性感知仿真（variability-aware simulation）越多，那么你擁有的裕度就越小，異?，F(xiàn)象就不會(huì)發(fā)生。不幸的是，在模擬方面，很大一部分裕度是面積或功率。為了減少噪音的影響，你需要提高功率一類的東西。最后，器件本身的模型更加復(fù)雜。FinFET器件模型的方程會(huì)多出3、4倍?！?/p>

高級(jí)節(jié)點(diǎn)中模擬IP的問題最終歸結(jié)為一切都變得越來越復(fù)雜，三階效應(yīng)成為一階效應(yīng)。Tegethoff說：“最終的結(jié)果是，我們不斷要求在這些節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行SPICE精確仿真，包括更長(zhǎng)時(shí)間的仿真、更多的仿真、智能環(huán)境的需要，例如蒙特卡洛模擬持續(xù)要求電路仿真準(zhǔn)確，但需要變得更快，處理更大規(guī)模的電路，以便它們能夠在合理的時(shí)間內(nèi)完成工作?！?/p>

結(jié)論

展望未來，考慮到支持諸如5G之類的技術(shù)的頻率和帶寬所需要的東西，設(shè)計(jì)師仍然需要全力以赴來解決這一切。這是極其復(fù)雜的，而且會(huì)變得更加復(fù)雜。

Tegethoff 表示：“模擬內(nèi)容正變得越來越重要，因?yàn)樗鼈兌继幱谶吔?。無論是物聯(lián)網(wǎng)、通信還是汽車，你都必須應(yīng)對(duì)模擬世界。這些接口需要更快，他們需要保持準(zhǔn)確，并且需要低功耗?！?/p>

曾經(jīng)有點(diǎn)孤立的模擬設(shè)計(jì)藝術(shù)現(xiàn)在不得不處理許多與先進(jìn)的數(shù)字設(shè)計(jì)相同的問題，而且還有模擬電路的一些特有難題。