数模混合IC设计难在哪？AMS仿真流程与工具全解析

『数模混合IC设计难在哪？AMS仿真流程与工具全解析』

各位芯片设计工程师朋友，不知道你们有没有这种感觉：数模混合IC设计真的是越来越难搞了！我刚入行那会儿，模拟和数字部分还能相对独立地设计验证，现在可好，两者深度交织，复杂度呈指数级增长。*近行业数据显示，芯片**流片失败的原因中，模拟与混合信号问题占比非常高，而且这一趋势在先进工艺节点下更加恶化。

数模混合设计变得如此困难？

说起来真是五味杂陈。多年前，我们可以把模拟部分单独验证后再集成到数字部分，还有所谓的“防护栏”隔离技术。但现在这些都已经行不通了——我们不得不在与数字部分相同的衬底上进行设计，在某些情况下还要处理裸片堆叠带来的新问题。

工艺进步反而带来了新挑战。采用FinFET和GAAFET器件的先进节点技术引入了更复杂的器件模型和更难预测的互连寄生效应，导致网表规模增加了两倍以上。仿真时间大幅增加，因为我们需要详细的网表才能使仿真结果接近实际情况。

另一个棘手的问题是，模拟电路对寄生效应、版图相关效应和工艺变化高度敏感，难以准确仿真。过去我们不用太担心模拟设计中的噪声和耦合噪声问题，现在却成了必须面对的常规挑战。

信号验证的核心挑战

验证是数模混合设计中*头疼的环节之一。传统的模拟电路仿真模型是SPICE模型，数字电路信号完整性分析则使用IBIS模型。虽然多家EDA公司推出了支持多种模型的混合模型仿真器，但设计师面临的*大困难是器件模型，特别是模拟器件模型很难获得。

数字设计依赖时域的瞬态分析，就像调试中的示波器那样直观。但没有**的模型，瞬态分析就无法实现。而对模拟设计，特别是噪声分析，激励源在时间轴上难以描述或预测，只知道频率带宽范围和大致幅度，这时候我们不得不引入频域扫频分析。

回归测试套件如今包含数千项测试，不仅需要功能正确，还需要在不同工艺角、噪声条件和时序场景下都有高精度。这需要模拟验证的精度，又不能牺牲数字规模回归测试所需的速度。

S仿真流程的关键环节

一个完整的数模混合信号仿真流程需要多个环节精密配合。首先是干扰源的创建和设置，分为电压型和电流型干扰源。数字信号通常表现为周期性的方波脉冲信号，经傅立叶变换后的频谱表现为高幅度的离散谱。

同步开关噪声仿真至关重要。同步开关噪声作为数字电源脚的电压型干扰源，需要通过时域仿真确定噪声的幅度。这需要提取包括同步信号的输出输入端口、VRM电源输出到IC的VCC管脚上的端口的多端口S参数模型。

电流型干扰源分析也不容忽视。在工具中允许用户添加电流型的干扰源，可以对已知DC电流大小的电源处添加独立电流源，分析电流分布密度和DC直流压降。对于频变的电流源，则需要分析随频率变化的电源阻抗Z参数来评估噪声大小。

隔离度分析是评估设计效果的重要手段。通过在干扰源和受干扰对象点分别添加端口，分析S参数，可以清楚地了解隔离情况是否良好。这包括不分割时的隔离度、分割后的隔离度、单点连接时的隔离度以及添加去耦电容后的隔离度。

工具与解决方案

业界已经开发了多种工具来应对这些挑战。Ansoft公司的“AD-Mix Signal Noise Design Suites”数模混合噪声仿真设计软件包括PCB全波整版级信号完整性/电源完整性及电磁兼容/电磁干扰仿真设计和参数抽取工具SIwave。

华大九天的Empyrean Aether是基于Open Access数据格式的一站式数模混合信号IC设计平台，包含设计数据库管理、版本管理、原理图编辑器、混合信号设计仿真环境等工具，无缝集成SPICE仿真工具、物理验证工具和寄生参数提取工具。

Mentor Graphics的Tanner EDA软件是一套针对定制IC、模拟/混合信号和MEMS设计的工具，支持28nm及以上工艺制程，原理图、仿真器、全定制版图、数字仿真、逻辑综合、布局布线、物理验证均可在同一平台完成。

发展趋势与应对策略

小芯片技术可能带来新的解决方案。通过让模拟IP保留在成熟、特性明确的节点上（如65纳米或180纳米），小芯片减少了可变性，简化了验证。这种方法还支持IP复用，降低了设计风险，缩短了上市时间。

人工智能技术正在混合信号验证中发挥变革性作用。机器学习模型可以从过去的仿真数据中学习，提高覆盖效率，并通过更少的运行次数生成影响重大的极端情况。深度学习技术能够进行异常检测，帮助发现难以捕捉的缺陷。

3D集成技术则增加了新的复杂度维度。通过3D集成，我们实际上给问题增加了另一个维度——需要考虑热效应和应力影响。当堆叠敏感组件时，如何让它们不受热变化的影响成为了一个很大的布局规划和物理问题。

面对数模混合IC设计的挑战，我们需要从方法论、工具链和团队协作多方面入手。建立更紧密的设计与测试协作，在流程的*前端就让设计工程师和测试工程师一起合作，一旦需求确定就创建验证矩阵，涵盖验证的每个不同阶段。

抽象与“左移”策略也至关重要。尤其对于更先进的工艺节点，尽早将版图效应纳入考虑至关重要，为了了解与理想原理图相比性能会下降多少。仅依赖设计专家的直觉是不够的。

*重要的是，要有针对性地选择解决方案。没有放之四海而皆准的规则，必须针对具体问题，找到针对性的分析手段和解决方案，才能事半功倍。数模混合IC设计虽然越来越难，但通过合适的工具、流程和方法，我们仍然可以克服这些挑战。