????? 引言
　　
　　近年來(lái)，消費(fèi)電子和個(gè)人計(jì)算市場(chǎng)的發(fā)展增加了對(duì)于更強(qiáng)大且高度集成的芯片產(chǎn)品的需求。低成本、低功耗、復(fù)雜功能和縮短上市時(shí)間的需要，讓越來(lái)越多的IC設(shè)計(jì)采用了SoC技術(shù)。
　　
　　在這些SoC電路中，由于包含了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、功率管理及其它模擬電路，混合信號(hào)設(shè)計(jì)不可避免并且越來(lái)越多。在混合信號(hào)SoC設(shè)計(jì)中，為了避免芯片重制，確保一次性流片成功，全芯片混合信號(hào)驗(yàn)證成為關(guān)鍵一環(huán)。傳統(tǒng)上，在復(fù)雜的混合信號(hào)SoC設(shè)計(jì)中，不同團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立驗(yàn)證數(shù)字和模擬組件，并不進(jìn)行全芯片綜合驗(yàn)證，其主要原因是沒(méi)有足夠強(qiáng)大的EDA工具能夠完成這個(gè)重要任務(wù)。如果所有的集成和接口問(wèn)題僅僅是在測(cè)試平臺(tái)中進(jìn)行解決，那么就很難保證混合信號(hào)的正確連接和時(shí)序匹配。隨著高速SPICE模擬工具的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)師可以在晶體管級(jí)執(zhí)行整個(gè)芯片系統(tǒng)的驗(yàn)證，這是一種較為有效的驗(yàn)證方法。該方法具有很高的精確性，并能夠進(jìn)行全面的功能分析，但是，此類(lèi)驗(yàn)證只能在設(shè)計(jì)周期的最后階段進(jìn)行，那時(shí)所有的單元和定制元件都已經(jīng)設(shè)計(jì)完成。此外，這種方法的模擬速度有時(shí)非常緩慢，必須動(dòng)用大量的硬件資源。對(duì)于包含微處理器、ROM、RAM、PLL等的復(fù)雜系統(tǒng)，由于其元件數(shù)量實(shí)在過(guò)于龐大，高速SPICE模擬器幾乎不可能執(zhí)行全芯片晶體管級(jí)模擬。
　　
　　然而，驗(yàn)證方法學(xué)應(yīng)該貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)階段，而不能僅局限于最終的驗(yàn)證階段。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)混合信號(hào)SoC驗(yàn)證在精確性和速度之間的完美平衡，設(shè)計(jì)師可能想要保持某些重要的模擬模塊(如ADC、PLL)作為SPICE網(wǎng)表，而其它部分為Verilog行為級(jí)模塊。這時(shí)，設(shè)計(jì)師可以選擇使用晶體管級(jí)電路去替代特定的行為模塊，并及時(shí)高效地繼續(xù)設(shè)計(jì)驗(yàn)證過(guò)程。
　　
　　為了實(shí)現(xiàn)精確而快速的全芯片驗(yàn)證，全新的模擬解決方案應(yīng)運(yùn)而生。
　　
　　AMS Designer與AMSVF
　　
　　作為新一代的模擬器，AMS Designer基于Virtuoso Spectre和Ultrasim Simulator以及Incisive Unified Simulator引擎的可靠技術(shù)，是一種單一核心(Single Kernel)的混合信號(hào)模擬器。它提供了兩種模擬求解器——Spectre和Ultrasim，并支持幾乎所有的語(yǔ)言和SPICE網(wǎng)表規(guī)格。Ultrasim求解器性能較高，有著堪比SPICE的精確性，并且容量幾乎無(wú)限，因此較適合大型全芯片設(shè)計(jì)。
　　
　　雖然AMS Designer為DFII流程提供了友好的圖形用戶(hù)界面，然而對(duì)于混合信號(hào)驗(yàn)證，多數(shù)設(shè)計(jì)師更需要該應(yīng)用在命令行模式下執(zhí)行全芯片驗(yàn)證。其原因不僅是因?yàn)槊钚心Ｊ教峁┝藦?qiáng)大而方便的批量運(yùn)行功能，還因?yàn)樵O(shè)計(jì)本身是基于沒(méi)有原理圖的文本文檔，或沒(méi)有GUI環(huán)境。對(duì)于這種應(yīng)用方式，AMSVF(AMS驗(yàn)證流程)更加適合。

　　AMSVF的應(yīng)用模式

　　繼承了NC-Verilog，AMSVF的使用支持ncverilog單步模式，它主要面向Verilog-XL用戶(hù)；而3步模式會(huì)調(diào)用ncvlog剖析輸入文件，調(diào)用ncelab構(gòu)建電路結(jié)構(gòu)，然后調(diào)用ncsim模擬器模擬電路。

　　目前，AMSVF可以為數(shù)字測(cè)試平臺(tái)提供支持，其應(yīng)用模式如圖1所示。

圖1 AMSVF的應(yīng)用模式

　　Verilog/VHDL頂層也可以例示SPICE subckt，對(duì)于VHDL測(cè)試平臺(tái)來(lái)說(shuō)，需要提供Verilog wrapper。另外，頂層可以調(diào)用其它Verilog/VHDL模塊。這種應(yīng)用模式被命名為“Verilog on top”。中層SPICE subckt也可以例示最底層的Verilog/VHDL模塊，這種應(yīng)用模式被命名為“Sandwich”或“SPICE in middle”。另外，在一些復(fù)雜設(shè)計(jì)中，AMSVF還支持多個(gè)“Sandwich”應(yīng)用模式，如“Verilog - SPICE - Verilog - SPICE - Verilog”。

　　這兩種應(yīng)用模式對(duì)于用戶(hù)的全芯片驗(yàn)證應(yīng)用是非常方便的。對(duì)于一個(gè)純粹的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為了獲得精確的結(jié)果，用戶(hù)可以用SPICE網(wǎng)表替代一些Verilog模塊，甚至使用寄生參數(shù)以獲得更為精確的模擬結(jié)果。由于物理元件太多，模擬速度可能會(huì)變慢，這時(shí)，用戶(hù)可以在SPICE網(wǎng)表中對(duì)基本門(mén)電路使用Verilog/VHDL行為級(jí)模塊。那么，“Sandwich”應(yīng)用模式就得以實(shí)現(xiàn)。這意味著用戶(hù)可以自由而簡(jiǎn)單地切換應(yīng)用模式。

?????AMSVF的應(yīng)用與重要功能

　　AMSVF中有許多實(shí)用而重要的功能，其中某些功能可用于減少建立測(cè)試用例所需的手工時(shí)間，而另外一些功能可用于驗(yàn)證性能。

　　自動(dòng)總線連接

　　在HDL語(yǔ)言中，總線信號(hào)的使用非常普遍且不可或缺。但SPICE中并沒(méi)有類(lèi)似的概念或定義，連接到SPICE支電路的Verilog總線必須被分解到每一個(gè)單獨(dú)的端口，而且必須按順序連接。例如：

　　module verilog;

　　wire [0:5] v;

　　analog_top xana_top ( v[0], v[1], v[2], v[3], v[4], v[5] );

　　endmodule

　　.subckt analog_top p<0> p<1> p<2> p<3> p<4> p<5>

　　...

　　.ends

　　為了準(zhǔn)確地連接Verilog實(shí)例和SPICE subckt，總線信號(hào)v[0:5]必須被分離。通常，分離的過(guò)程需要極為耗時(shí)的手動(dòng)編輯，尤其對(duì)于規(guī)模較大的總線更是如此。而在AMSVF中，通過(guò)自動(dòng)總線連接功能，用戶(hù)可以輕松地將實(shí)例寫(xiě)為：

analog_top xana_top ( v );

　　用戶(hù)可以在SPICE網(wǎng)表中設(shè)置總線界定符，告知AMSVF哪個(gè)符號(hào)用于總線信號(hào)。這里符號(hào)<> 和[ ]為默認(rèn)界定符，甚至也可以支持空總線界定符。

　　AICM與BDR

　　AMS Designer嚴(yán)格遵從Verilog AMS的規(guī)范確定(Discipline Resolution)過(guò)程，它讓用戶(hù)可以依靠工具確認(rèn)信號(hào)間的連通性，并能實(shí)現(xiàn)連接模塊的自動(dòng)插入。

　　AICM(自動(dòng)插入連接模塊)算法判定通過(guò)未聲明端口相連的線網(wǎng)規(guī)范，然后在模擬和數(shù)字域邊界上插入連接模塊。除了電氣到邏輯(E2L)以及邏輯到電氣(L2E)這兩個(gè)普通的連接模塊外，AICM還支持雙向的連接模塊，這對(duì)于不想明確指定線網(wǎng)端口方向的用戶(hù)來(lái)說(shuō)是非常方便的。

　　在驗(yàn)證大規(guī)模設(shè)計(jì)時(shí)，尤其是在ncelab階段，新的BDR(鎖定規(guī)范確定)功能能夠讓設(shè)計(jì)師應(yīng)用他們的設(shè)計(jì)知識(shí)去控制并縮小規(guī)范確定的解析范圍以提升性能。此外，如果通過(guò)AMSVF驗(yàn)證的設(shè)計(jì)在數(shù)字和模擬之間有清晰的界限，或其所有線網(wǎng)都已被明確地聲明，那么，利用“-disres none”選項(xiàng)甚至可以跳過(guò)規(guī)范確定過(guò)程，顯著縮短運(yùn)行時(shí)間。因此，這種新功能可以大幅提高AMSVF在ncelab階段的性能和效率。

　　此外，BDR對(duì)于多電源設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是非常實(shí)用的。例如，對(duì)于同時(shí)使用5V、3.3V和1.8V供應(yīng)電源的電路來(lái)說(shuō)，當(dāng)數(shù)字模塊用不同的供應(yīng)電源連接模擬模塊時(shí)，數(shù)字信號(hào)將會(huì)有不同的數(shù)字規(guī)范，如logic5V、logic33V 和logic18V，而對(duì)于單電源設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，僅用缺省的logic這一個(gè)數(shù)字規(guī)范即可。因此通過(guò)這種功能，用戶(hù)可以為設(shè)計(jì)中的數(shù)字模塊設(shè)定不同的數(shù)字規(guī)范，以便模擬器更加準(zhǔn)確地插入連接模塊。

　　Stub View

　　Stub View提供了從模擬中移除原理圖或Verilog AMS模塊的途徑。通過(guò)移除不影響模擬結(jié)果或是沒(méi)有使用到的模塊，可以幫助用戶(hù)加快模擬速度。另外，該功能可以用于確認(rèn)哪個(gè)模塊是造成模擬速度降低的主要原因。

　　比如，電路中包含有不同激勵(lì)源的3個(gè)通道，每個(gè)通道彼此獨(dú)立，利用Stub View功能移除其中的一或兩個(gè)通道，就可以大幅加快模擬速度。

　　UPS求解器

　　一般來(lái)說(shuō)，電源/地線網(wǎng)絡(luò)中存在大量的寄生RC，在版圖后仿真時(shí)，這些寄生RC將會(huì)大大降低性能，并侵占大量?jī)?nèi)存。對(duì)于這類(lèi)模擬，AMSVF中的UPS求解器可被用于加速模擬速度，同時(shí)保持精確性。模擬器首先偵測(cè)電源網(wǎng)絡(luò)，然后將整個(gè)設(shè)計(jì)分離為電源網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)網(wǎng)絡(luò)兩部分。電源網(wǎng)絡(luò)部分由UPS求解器處理，而信號(hào)網(wǎng)絡(luò)部分則由Ultrasim求解器處理。電源網(wǎng)絡(luò)模擬的示意圖如圖2所示。

圖2 電力網(wǎng)絡(luò)模擬法示意圖

　　使用傳統(tǒng)的瞬態(tài)模擬和UPS求解器分別進(jìn)行電壓降分析的性能對(duì)比如表1所示。

????? VR技術(shù)

　　由于芯片內(nèi)電源電壓不斷降低，并開(kāi)始采用多電源電壓，因此，越來(lái)越多的混合信號(hào)/RF或數(shù)字電路均使用片上穩(wěn)壓器來(lái)產(chǎn)生內(nèi)部供電電壓。Ultrasim求解器通過(guò)有效的分區(qū)技術(shù)實(shí)現(xiàn)模擬加速，但這只能應(yīng)用在電路由理想電源電壓驅(qū)動(dòng)的情況下。使用傳統(tǒng)的分區(qū)技術(shù)，所有連接到內(nèi)部穩(wěn)壓源的模塊都必須包含在單個(gè)分區(qū)內(nèi)，嚴(yán)重影響了模擬速度。

　　VR(穩(wěn)壓)技術(shù)能夠克服這種限制， 讓用戶(hù)能夠方便地對(duì)由內(nèi)部穩(wěn)壓器供電的電路模塊進(jìn)行模擬仿真。

　　快速包絡(luò)分析

　　總的來(lái)說(shuō)，當(dāng)被調(diào)制電路采用傳統(tǒng)的瞬態(tài)分析時(shí)，需要非常小的時(shí)間步長(zhǎng)以適應(yīng)高頻載波信號(hào)，并且需要長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)周期覆蓋低頻基帶信號(hào)，這將使得模擬變得非常緩慢和困難?？焖侔j(luò)分析主要用于解決這個(gè)難題，這些電路類(lèi)型通常出現(xiàn)在發(fā)射器、接收器等RF電路中。

　　AMSVF的快速包絡(luò)分析功能提供了對(duì)模擬/混合信號(hào)電路進(jìn)行模擬和設(shè)計(jì)的有效方法。任何包含已調(diào)制信號(hào)的電路或RF部分都可以通過(guò)快速包絡(luò)分析法進(jìn)行模擬，而電路的其它部分則由數(shù)字求解器或傳統(tǒng)的瞬態(tài)模擬法進(jìn)行仿真。包括數(shù)字和模擬電路在內(nèi)的所有仿真都在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行同步，它考慮了各仿真之間的耦合，并確保解決方案的精確性?？焖侔j(luò)分析可以跳過(guò)時(shí)鐘周期中的很多時(shí)點(diǎn)，減少大量的時(shí)間步長(zhǎng)數(shù)，簡(jiǎn)化計(jì)算量。

　　以圖3中完整的RF電路為例，它包含了發(fā)射器、接收器和ADC/DAC Verilog-AMS模塊。與瞬態(tài)分析相比，快速包絡(luò)分析可以通過(guò)極小的精確性損失讓性能提高7倍。兩種方法的波形對(duì)比如圖4所示，來(lái)自快速包絡(luò)的最后一個(gè)波形跳過(guò)了很多周期。

圖3 完整的RF電路和ADC/DAC行為模塊

　　結(jié)語(yǔ)

　　AMSVF已經(jīng)被證明是一種針對(duì)復(fù)雜混合信號(hào)電路進(jìn)行全芯片驗(yàn)證的有效而強(qiáng)大的工具。它不僅提供了靈活的應(yīng)用模式，還包括更加先進(jìn)而強(qiáng)大的功能，能夠幫助更多的用戶(hù)在設(shè)計(jì)的初期階段發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，縮短設(shè)計(jì)周期，實(shí)現(xiàn)一次性流片成功。