模拟设计与验证工具现状(1)

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大约从20世纪80年代起，就有许多业内专家宣称模拟电路已走进死胡同，而数字应用将在电子世界中大放异彩，包括用在通信上的集成电路（integrated circuits，ICs）。在现实中，当然，现代化的通信系统同时需要将模拟及数字功能复杂地融合在一起。　　不过有一个问题，比起它的数字同胞，在支持自动化能力这方面，模拟设计及验证工具却远远落后。其结果，模拟设计工程师的生产力远不及数字搭档来得强。
　　就以数字集成电路设计为例，现代最先进的设计环境提供了高阶的自动化，即使是包含上亿个晶体管的最复杂设计，也能在短短几天内重新转给新的代工厂、同一座代工厂但不同的制程、甚至全新的技术节点。
　　相对地，缺乏自动化支持的传统式模拟设计环境，代表模拟电路的制作及修改几乎全靠人工。这样的结果，即使把相当简单的模拟功能转向新的代工厂、制程或技术节点，也要耗费6～12个月的时间。换言之，虽然尖端的数字设计已经达到32nm的技术节点，绝大多数的模拟设计仍深陷在130nm及250nm节点的泥沼之中，那算是5～10年前的老旧技术了。
　　首先，本文先提出数字设计及验证技术演进的概观，并说明现代最先进数字设计环境在支持高阶自动化上的生产力优势。本文接着提出模拟设计及验证技术演进的概观，并且拿来跟数字的自动化能力做对比。
　　最后，本文讨论了模拟工具必须予以强化以支持更高阶自动化的方法；同时也阐述了现代化IC设计环境必须强化的方法，以具备足以支持真正的、统一的、全芯片混合信号设计、验证、及实现的能力。
　　数字工具的演进
　　早期的数字IC设计，约20世纪60年代初期，电子电路皆以手工建立。电路图（原理图）都是用纸笔及印刷模板以手绘制。这些图面显示逻辑门与功能的各式符号，并且用来实现符号之间连线的设计。
　　执行“功能验证”时，通常是一群工程师围坐在桌子旁，通过原理图兢兢业业地讨论：“这部分我看应该没问题！”同样地，进行“时序验证”时，典型的做法也是靠着纸和笔。最后，用来组成晶体管、电阻器及彼此之间互连的架构都是以人工绘制而成的。
　　毫无疑问，这种手工艺品方式的设计极为耗时，而且很容易出错。这种情形必须要有解决之道，于是有些公司及大学就率先跳出来，采用各种不同的研究方向。就设计获取(design capture)而言，门级(gate-level)的“原理图获取”套件即在市场上开始出现，至于功能及时序验证，在20世纪60～70年代初期所看到的，则是先出现以“事件驱动逻辑仿真器”及“静态时序分析器”为形式的专门程序。
　　以抽象的门级建立数字设计，就如同使用汇编语言撰写软件程序一般。就执行效率及所需的计算机内存数量而言，汇编语言的程序或许是不错的实施，但它需要很长时间的获取及确认，而且不容易转到另一台计算机上。同样，门级的表示方式也需要很长的时间获取及确认，转移到新的代工厂或制程／技术节点也相当困难。
　　至于软件方面，开发者的解决方案则以程序语言（如C语言）的形式，提升至另一个更高层次的抽象概念。然后，这些高级表达式可以编译成计算机所需的机器级指令。这些高级表达式的优点是，可容许软件开发者迅速而精准地捕捉到程序的含义，确认其功能。同时，以C语言撰写的程序可以很容易地转移到其他的计算机平台。
　　同样，对于数字逻辑而言，设计工程师也开始提升至更高阶的抽象概念，称之为“寄存器传输层”（Register Transfer Level，RTL）。在20世纪80～90年代初期登场的“逻辑综合”(logic synthesis)则用来将RTL表示式编译成对应的门级网表(netlist)。这项“前端”综合技术另以“后端”的自动布局布线(place-and-route)引擎补其不足之处，后者可从门级网表，执行设计的物理实现。
　　循着C语言程序在编译后能用在不同计算机上的足迹，RTL与逻辑综合的组合让数字设计能更轻易地移植到新的代工厂或制程／技术节点。
　　模拟工具的演进
　　实际上，模拟电路的计算机辅助设计与验证工具，在早期是优于数字电路的。模拟电子系统设计在刚起步的时候，电子电路完全靠人工绘制。晶体管层的电路图完全用纸笔及印刷模板以手工绘制，再搭配基本的“纸笔”分析及验证。
　　在设计由离散（独立封装）的元器件例如晶体管、电阻器、电容器及电感组成时，通常是建立设计的实体原型，将它放上测试平台(test bench)，测量实际的数值，以判定性能优异，然后参考元器件所得的数值，新增或移除所需的元器件，以达到期望的效果。
　　很显然，这种方法在开始建立第一片模拟IC时并不可行，因为IC设计的工程变更代价非常昂贵。在20世纪60～70年代初期，有几所大学及商业公司着手开发模拟仿真器。这些程序让学生及工程师得以仿真模拟电路，而无须实际付诸行动制造。早期的几个仿真器中，最有名的大概就是“SPICE”（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis），这套程序是由加州大学柏克莱分校所开发，并在70年代初期广为流传供大家使用。