（电工理论与新技术专业论文）模数转换ip核设计及其系统集成.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t s o c t e c h n o l o g yi san e wt r e n df o rv l s id e s i g n i tp r o v i d e su n p r e c e d e n t e d m a r k e tp r o s p e c t sa n dd e v e l o p m e n to p p o r t u n i t i e sf o ri ci n d u s t r y t h em a i n c h a r a c t e r i s t i co fs o cd e s i g ni s1 pr e u s ea n di n t e g r a t i o n w i t hi n c e s s a n t d e v e l o p m e n to fs o ct e c h n o l o g y , t h ed e m a n do fa n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e r t e ri p c o r ei sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ee x i g e n td u et ot h ei m p o r t a n c eo f a d cm o d u l e a na d ch a r di pm a c r of o ri n d u s t r i a la u t o m a t i cc o n t r o la s i ci sr e p r e s e n t e d i nt h i st h e s i s a n dt h ei pc o r ei si n t e g r a t e di n t oa n8 0 5lb a s e ds h u m v 0 6m c u w h i c hh o l d si n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y t h ei n t e g r a t i o no fa d cr e d u c e s t h ec o s ta n ds i z eo ft h ew h o l es y s t e m t h ek e yt a s k sa n di n n o v a t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： 1 la na d ch a r di pc o r ei sa c h i e v e da n dt h et r a n s i s t o rl e v e lc i r c u i td e s i g n f l o wo f4 c h a n n e l10 b i ts u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o na d cw h i c hi n c l u d e s t h r e ei m p o r t a n ts u b m o d u l e s ：10 一b i td a c c o m p a r a t o ra n ds a ri sp r o v i d e d i nc h a p t e r3 b a s e do nc h a r t e r e d0 3 5 u r ns a l i c i d e2 p 4 mc m o sm i x e d s i g n a lp r o c e s s ，p h y s i c a ll a y o u td e s i g na n dv e r i f i c a t i o ni sa c c o m p l i s h e d u s i n gv i r t u o s oa n dc a l i b r e f u n c t i o nm o d e l ，t i m i n gm o d e la n dp h y s i c a l m o d e l sa r ee s t a b l i s h e df o rs y s t e mi n t e g r a t i o no ft h i sh a r di p 2 ) t h ed e s i g n e da d c 口i ss u c c e s s f u l l ye m b e d d e di n t os h u - m v 0 6 t h e c o n v e r s i o ns p e e do fa d cc a nb ea d j u s t e db ys o f t w a r e a m o n gt h e i m p l e m e n t e dt h r e et r i g g e rm o d e p w mt r i g g e r e dm o d eu s e df o rr e a l t i m e m o n i t o t i n gi sa ni n n o v a t i o no ft h ea r t i c l e w h i c hs i m p l i f i e ss o f t w a r ea n d i m p r o v e st h eo p e r a t i n ge 伍c i e n c yo fm c u 3 ) t o a v o i dt h e s h o r t c o m i n g s o ft r a d i t i o n a lv e r i f i c a t i o nm e t h o d s ， n a n o s i m - v c sv e r i f i c a t i o nf l o wi sp r o p o s e df o rs h u - m v 0 6f u l l - - c h i p m i x e d - s i g n a lv e r i f i c a t i o n t h ei n t e r f a c em o d u l eo fa d c a n dm c ui sf u l l y v e r i f i e du s i n gt h i sm e t h o d o l o g y t h ea d ci ph a sb e e nt a k e l lt os i l i c o na n di t sf u n c t i o nh a sb e e nt e s t i f i e d p r e l i m i n a r i l y , b u tm o r es o p h i s t i c a t e dt e s t sa r er e q u i r e dt oe v a l u a t et h es t a t i c c h a r a c t e r i s t i c s t h ed e s i g no fs h u m v 0 6i sn e a r l ya c h i e v e da n dw i l lj o i ni c c m p wi nf e b r u a r y2 0 0 8 t h ep r e s e n t e dn a n o s i m v c sm i x e d s i g n a lv e r i f i c a t i o n m e t h o dc a l lb ee a s i l yi n t e g r a t e di n t oe x i s t i n gd e s i g nf l o w t h ef e a s i b i l i t ya n d e f f i c i e n c yo ft h em e t h o d o l o g y a r ep r o v e db yp r a c t i c e k e y w o r d s ：s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o na n a l o g - t o - d i g i t a lc o n v e r t e r ( s a r a t ) c ) ，i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) d e s i g n a n d i n t e g r a t i o n , m i x e d s i g n a l v e r i f i c a t i o n v i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：渺日期： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：奠垂佳导师签名： i i 襁吼? 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 集成电路发展趋势 在人类社会开始进入信息时代的今天，集成电路不仅渗透到各行各业中， 而且开始渗透到人们日常工作和生活的各个方面。集成电路的基础性、战略性 地位日益突出，集成电路产业已经成为提高我国综合国力的关键性产业。 在二十世纪七十年代以前，芯片上元件数量的增长严格遵循每两年增长一 倍的速率；其后，集成电路的“复杂程度”就表现为d r a m 的位数和微处理器 中的晶体管数量，按d r a m 每1 8 个月增长一倍、微处理每2 4 个月增长一倍 的规律发展。s i a 在2 0 0 1 年版的“国际半导体技术发展路线图( i t r s ) 中提 出了每3 6 个月翻倍的论点，并将其一直延伸至2 0 1 6 年，2 0 0 6 年修订版又将其 延长到2 0 2 0 年，如表1 1 和表1 2 所示。 表1 1 2 0 0 6 年i t r s 修订版集成电路技术发展趋势一( 近期) 1 2 1 生产年份2 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 1 02 0 l l2 0 1 22 0 1 3 d r a m 半节距( r i m )8 07 06 55 75 04 54 03 63 2 m p u a s i c 金属l 半节距( 姗)9 07 86 85 95 24 54 03 63 2 m p u 版图栅长( 啪) 5 4 4 84 23 83 43 02 72 42 l m p u 物理栅长( 衄)3 22 82 52 32 0 1 8 1 6 1 41 3 f l a s hp o l y 半节距( r i m )7 66 45 75 l4 54 03 6 3 22 8 表1 2 2 0 0 6 年i t r s 修订版集成电路技术发展趋势一( 远期) 生产年份 2 0 1 42 0 1 52 0 1 62 0 1 72 0 1 82 0 1 92 0 2 0 d r a m 半节距( r i m )2 82 52 22 01 81 61 4 m p u a s i c 金属l 半节距( t u n )2 8 2 5 2 22 01 81 61 4 m p u 版图栅长( 岫)1 91 71 51 31 2 l l9 m p u 物理栅长( 胁)l l1 09876 6 f l a s h p o l y 半节距( n m ) 2 52 32 01 81 61 4 1 3 虽然到目前为止每个技术节点都如所料按期实现，但晶体管数翻倍的期限 正在加长，从1 8 个月到2 4 个月再到3 6 个月，摩尔定律不断受到挑战。英特尔 合作创始人g o r d o nm o o r e 日前表示以他名字命名的这一定律即将终结，也许只 上海大学硕士学位论文 要1 0 到1 5 年时间t 3 l 。传统的按比例缩小方法已经在目前的c m o s 平面制造工 艺中表现出极限性，如漏电现象和热功耗问题多年来一直是半导体行业“摩尔 定律 前进的主要障碍就是一个具体表现。 为了实现集成电路技术按“摩尔定律 发展，一些新材料、新工艺和新方 法被广泛应用于现有工艺。应变硅( s t r a i n e ds i l i c o n ) 、绝缘层上硅( s o i ，s i l i c o n o ni n s u l a t o r ) 、铜互连技术、低k 介电材料成为各厂商解决漏电率上升的关键。 基于可测性设计( d f t ，d e s i g nf o rt e s t ) 和可制造性设计( d f m ，d e s i g nf o r m a n u f a c t u r e ) 的方案是克服传统设计和测试方面限制的好方法。为了提高设计 生产率，缩短上市时间，口复用设计正成为越来越多厂商的选择。这些新技术 极大提升了现有的技术水平，使摩尔定律在未来几年内得以延续。 1 2 我国集成电路发展 我国集成电路产业起步于1 9 6 5 年，经过4 0 多年的发展，产业规模迅速扩 大，现已形成了制造、设计、封装测试三业并举的产业格局，到“十五”末达 到设计业占1 6 ，制造业近1 3 ，封装测试降到1 2 的局面t 4 1 。 2 0 0 0 年以来，我国集成电路产业一直保持快速发展，到2 0 0 6 年国内集成 电路产业规模达到1 0 0 6 3 亿元，年均增速3 3 6 ，远高于全球产业增长速度t 5 1 。 2 0 0 7 年上半年国内集成电路总产量达1 9 2 7 亿块，与2 0 0 6 年上半年相比增长 1 5 2 ，实现销售收入6 0 7 2 亿元，同比增长3 3 2 ，是全球i c 产业发展最为 迅速的地方，在全球i c 产业中的地位将进一步上升t 6 1 。 近几年国内集成电路产业界的自主创新能力不断提高，涌现了一批具有创 新性和先进性、拥有自主知识产权、已经得到实际应用，并在产业化和市场竞 争力方面取得一定进展的半导体创新产品和技术，如“龙芯 、“方舟 、北大“众 志等c p u 芯片、第二代身份证卡芯片、中星微电子的“星光”系列音视频解 码芯片、展讯通信开发的3 g 手机基带芯片等k 7 l 。但我国的主流芯片设计与美 国相比还有几年的差距，我国半导体产业无论在投资强度和经济规模上与发达 国家和地区的差距还非常明显1 8 1 0 我国集成电路产业核心技术严重缺乏，c p u 、 d s p 、存储器、手机基带芯片等高端核心芯片主要依赖进口，关键制造设备、 2 上海大学硕士学位论文 材料与技术基本依赖国外引进，缺少自主口核心技术，标准、专利受人制约。 长期以来，我国半导体产业一直是芯片封装测试业占据绝对统治地位，制造业 和设计业的发展相对滞后，影响了产业链的完善 9 1 。 未来国内集成电路产业发展的关键在于自主创新，产品开发与创新是解决 市场供需矛盾的关键所在。但我国集成电路产业起步晚，基础薄弱，知识产权 保有量低，在设计业和制造业方面都很难与对手抗衡，与国际先进水平相去甚 远，单纯依靠原始创新实现产业跨越式发展非常困难 1 0 i 。随着深亚微米集成电 路技术和基于口复用的s o c ( s y s t e m - o n c h i p ) 设计技术的发展，国际集成电 路产业开始了新一轮分工，这为我国集成电路设计与应用行业提供了一个适合 我国国情的切入点。基于口库复用的s o c 设计方法把系统集成与功能模块分开， 分散了设计难度和规模j i l l 。我国集成电路设计企业可以抓住口核设计这一难 得的发展机遇，以功能块p 核和口核库的设计与建设为切入点，以集成电路 设计为突破口，实现集成电路产业的技术跨越和产业升级。 1 3 数模混合s o c 发展现状与挑战 随着工艺水平和设计能力的快速发展，为了满足嵌入式系统市场对成本、 功能和功耗的要求，人们开始使用新的设计和复用方法一一片上系统芯片 ( s o c ) 设计。所谓s o c 技术，是一种高度集成化、固件化的系统集成技术， 其核心思想就是要把整个电子系统全部集成在一个芯片中 1 2 1 0 使用s o c 技术， 所有设计工作都是以预先设计并验证好的模块即i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核为 基础，大大提高了设计效率，并有效降低系统成本。 s o c 设计将是未来芯片设计的发展方向，模拟和混合信号口应该是s o c 最 基本的组成部分。s o c 中的模拟i p 部分正日益受到关注，将成为未来中外设计 公司争夺的焦点市场。模拟p 已经成为当前s o c 设计中最关键的战略考虑因素 之一1 1 3 1 。很多提供数字p 的供应商也开始将注意力转向模拟i p 市场。近日世 界领先的处理器口供应商m i p s 科技公司宣布收购全球第一的模拟混合信号技 术供应商c h i p i d e a 1 4 1 ) 将重点开发模拟口，提供更全面地集成设计解决方案， 显然就是为了争夺未来s o c 市场。 上海大学硕士学位论文 然而，模拟口集成远比数字s o c 设计复杂得多。首先，模拟p 可重用性 较低，一般只能以硬i p 形式交付，这就意味着它是针对某一代工厂( f o u n d r y ) 的特定工艺而设计的，而且只适用于简单的模拟口。其次，模拟和数字部分采 用的描述方式不同，如何对模拟口进行精确的行为建模将是一大难题。最后， 也是最大的问题，就是模拟口的非独立性。模拟模块远不是一个简单的功能块， 不能随便放进一个设计里，它对周围环境十分敏感。高速数字模块的噪声可以 通过衬底耦合进模拟电路的任何节点，互连堆叠的金属块之间存在耦合问题， 时钟线的洁净程度以及电源耦合等都变成重要问题，而且越来越糟糕。大型s o c 越来越多地采用更有作为的电源管理技术，包括时钟与电源门控，动态电压及 频率定标。这些技术的使用意味着一个s o c 上的时钟与电源网络可以随时改变 它们的有效拓扑、频率和电压，使分析更加复杂化 1 5 1 。 1 4 本文主要研究工作 1 4 1 课题目标 现代汽车工业发展对汽车电子提出了新的要求，面对必须在短周期、紧张 预算控制内实现新设计，以及在越来越小的空间内使用最少数量组件的压力， 设计人员已经从传统分立元件设计转向集成度更高的半导体器件，这使得对片 上系统芯片的需求不断增加。汽车车身控制需要大量的微控制器( m c u ) 、传 感器以及连接两者的模数转换器。将a d c 模块集成到m c u 中，不仅减少了外 围元器件数量、减小印制板的空间，而且可缩短系统开发时间、简化接口，从 而提高了系统集成度、降低整体系统成本。 在m c u 中集成1 0 位以上的普通a d c 已成为发展趋势，a n a l o gd e v i c e s 的m i c r o c o n v e r t e r 数据采集与处理系统芯片、t i 的m i c r o s y s t e mc o n t r o l l e r 系列、 c y g n a l 的c 8 0 51 f 、m o t o r o l a 的5 6 f 8 3 x 和t i 的m s p 4 3 0 系列中的部分产品都 集成了a d c 模块。这些m c u 都被称为混合信号m c u ，由于它们在模拟和数 字方面优越的性能以及价格上的优势，目前已广泛用于各种测控仪器1 1 6 1 , 本课题作为国家发改委汽车电子高技术产业化专项项目“汽车专用 4 上海大学硕士学位论文 m c u a s i c 设计 的一部分，研究目的是设计一个1 0 位逐次逼近型a d ci p 核， 并将其嵌入自主设计的s h u m v 0 6m c u 芯片中。在系统集成过程中针对大规 模混合信号验证难题，提出基于s y n o p s y sn a n o s i m v c s 的全芯片级混合信号 验证流程，对a d ci p 核以及数模接口部分进行功能验证。 1 4 2 本人工作 本课题的主要研究任务是a d ci p 核的设计与集成，主要工作内容如下： 1 ) 完成4 通道1 0 位逐次逼近式a d ci p 核的电路设计，采用c h a r t e r e d 0 3 5 u r ns a l i c i d e2 p 4 mc m o s 混合信号工艺进行版图设计，完成d r c 和l v s 物理验证，参加m p w 流片，对样片进行测试，并为该硬核建 立系统集成所需的功能模型、时序模型及物理模型。 2 ) 将该a d ci p 核嵌入到拥有自主知识产权的基于8 0 5 1 架构的 s h u m v 0 6 微控制器芯片中，设计a d c 与m c u 的接口控制模块。要 求a d c 转换速度可调节，具备软件触发、硬件触发和p w m a d c 联 动三种工作方式。 3 ) 针对传统混合信号验证方法面临的挑战，使用n a n o s i m v c s 混合信号 验证平台，提出一种针对s h u m v 0 6 进行全芯片级混合信号验证的方 法，使数模接口模块得到充分验证，从而增加一次流片成功的几率， 降低设计成本。 1 4 3 章节安排 本文按照项目过程中实际设计流程进行组织和编排，全文共分五章，安排 如下： 第一章对国际和我国的集成电路发展趋势进行综述，介绍数模混合s o c 的 发展现状与设计挑战，概述本课题研究目标、内容及文章的组织结构。 第二章介绍基于口复用的混合信号s o c 设计方法学，阐述了基于口的s o c 设计流程，并就混合信号验证的必要性进行论述。在介绍传统混合信号验证方 5 上海大学硕士学位论文 法后，针对该方法在当前大规模s o c 设计过程中面临的设计挑战，提出了基于 n a n o s i m v c s 进行混合信号协同仿真的验证流程，并对该验证平台作具体介 绍。 第三章首先介绍模数转换基本原理及静态和动态性能参数，对s a r 结构的 a d c 工作原理进行详细说明。本章重点讨论l o 位s a ra d ci p 核的电路设计 与物理版图实现，对该a d c 的整体结构、d a 转换器、比较器和数字控制电路 的设计进行具体论述。还为该硬口核建立了系统集成所必须的功能模型、时序 模型和物理模型。本章最后对a d c 实际流片结果进行简单介绍。 第四章主要研究a d ci p 核的集成过程。首先对本项目设计的s h u m v 0 6 微控制器芯片的系统架构作简要介绍。然后根据系统定义要求，完成a d c 控制 模块设计，实现对a d c 的三种触发模式控制。本章最后采用n a n o s i m v c s 流 程进行全芯片级混合信号仿真，给出仿真环境的建立和验证过程，对a d c 控制 模块进行功能验证，并给出仿真结果。 第五章是本文的总结与展望，对本文设计和验证过程中获得的成果进行总 结，对遇到的问题进行深入分析，并就进一步的工作进行展望。 6 上海大学硕士学位论文 第二章混合信号s o c 设计与验证方法 基于口复用的s o c 设计已成为当前主流的集成电路设计方法，模拟p 的 加入大大增加了设计难度。复杂的全芯片验证以及数字单元和模拟i p 电路间的 接口分析成为设计的瓶颈。基于快速s p i c e 工具和数字仿真器的混合信号验证 方法能够在仿真的速度和精度间进行折衷，在保证一定精度的基础上大大缩短 仿真时间，提高验证效率。 2 1 混合信号s o c 设计 2 1 1s 0 0 与ip 设计 在集成电路工艺发展和市场需求的推动下，片上系统芯片和p 技术逐渐成 为i c 业界广泛关注的焦点。作为a s i c 设计方法学中的新技术，s o c 始于2 0 世纪9 0 年代中期。1 9 9 4 年m o t o r o l a 发布的f l e xc o r e t m 系统和1 9 9 5 年 l s il o g i c 公司为s o n y 公司设计的s o c ，可能是基于m 核完成s o c 设计的最 早报导 1 7 1 0 集成规模 设计效率 时间 i p 计复用 图2 1i ( 2 产业剪刀差的跨越示意图 除了大规模数字电路，s o c 有时还会包含模拟电路和混合电路，在有些应 用场合中还会含有微传感器和微机械。微电子技术已具备由电路集成( i c ) 向 系统集成( i s ) 发展的条件。沿用传统的基于单元库的设计方法已不能满足日 益复杂的电路对设计的要求，i c 设计开发成为集成电路市场扩大的“瓶颈”舳。 7 上海大学硕士学位论文 图2 1 给出了i c 产业设计能力与工艺能力之间剪刀差的跨越示意图。于是业界 提出了设计复用( d e s i g nr e u s e ) 的概念，即充分利用已有的或第三方提供的功 能模块作为宏单元( m a c r oc e l l ) 进行集成，构成完整的系统。口模块是设计 重用的关键部分以及结束“设计间距”唯一有效的方法。 s o c 的关键技术是口核，因此发展s o c 的关键是p 的开发和管理。p 核 是可以复用、可以交易、符合一定标准的集成电路模块及配套文件。i p 核的出 现是集成电路设计产业分工的结果，一些公司专注于自己的技术特长，开发不 同类型的、经过验证的口核，而另一些公司在复用这些m 核的基础上设计集 成电路。功能模块化的s o c 具有易于增加新功能和缩短上市时间的显著特点， i p 核已经成为主流芯片设计的核心构件。 国外中小规模的口设计公司、p 销售公司、对口进行评定和为i p 进行诉 讼调停的公司，以及有关口核设计的报道日益增多，m 产业发展势头迅猛。我 国也十分重视口产业的发展，近年来在口产业上也有很大的动作，产业正 在从概念阶段向实用阶段过渡，m 核是中国集成电路产业的重要发展机遇。但 目前国内购买的口核产品，1 8 来自境外代工厂，2 9 来自境内代工厂，3 5 来自境外p 核供应商，1 1 来自境内d 核供应商，只有7 是共享交换口核1 。 由此可见，本土口核的发展还远远不能满足中国需求。 实际上，口的概念在i c 设计中已经使用了将近2 0 年，应该说标准单元库 就是口的一种形式。但今天的口已远不是这个水平。总的来说，口功能块基 本上是中小规模设计：而元件库的设计工作量虽大，每个元件的规模则非常小。 这两者都与我国目前的微电子设计能力有比较好的衔接。因此这为我国微电子 设计界提供了两个可能进入国际市场的切入点。而系统设计企业则可依托我国 众多的代工厂和国际先进的p 核技术，实现引进吸收再创新和集成创新，实现 大规模、复杂化的集成电路设计。抓住p 核设计这一难得的发展机遇，以集成 电路设计为突破口，以功能块口产业为具体的切入点，可以实现我国集成电路 产业的技术跨越和产业升级。 上海大学硕士学位论文 2 1 2ip 设计方法及流程 数字口和模拟口的设计方法是截然不同的。 数字口的基本设计方法与一般的数字集成电路的设计方法是一样的，在确 定电路功能后用硬件描述语言编写寄存器传输级( r t l ) 代码，再通过综合工 具和f o u n d r y 提供的标准单元库生成门级网表，最后经布局布线生成物理版图， 如图2 2 所示。经过验证的可以以这一设计流程中形成的不同形式r t l 代码、门级网表或物理版图等进行p 的转让和集成，每种描述形式对应于软疋、 固p 和硬m 三种设计层次 1 9 1 。 图2 2 数字口的设计流程 由于模拟电路本身的复杂性，且其性能直接受版图布局影响，因此模拟口 一般以硬口形式存在。模拟电路与数字电路的设计方法和设计流程完全不相 同。半导体器件的二级效应对模拟电路有很大的影响，模拟信号的处理不仅对 速度和精度的要求比较高，而且对噪声、串扰和其他干扰比数字信号要敏感得 多。因此模拟电路通常每个元件都要“手工设计，并且对于版图的要求也很严 格，一般都采用全定制的设计方法。 模拟电路的设计流程以电路的参数指标为出发点，进行功能块的划分以及 电路的结构设计，然后输入电路，确定设计参数，进行各类仿真。这实际上是 一个不断迭代和优化的过程，设计过程的每一步在不能达到所要求的设计目的 9 上海大学硕士学位论文 时，都会返回到前一步或前若干步，重新进行电路的设计。 模拟电路的版图设计完成后需要进行物理验证以确保版图功能的正确性。 物理验证包括设计规则检查( d r c ) 和版图原理图一致性检查( l v s ) 。对于功 能复杂、规模较大的电路有时还需要从版图中提取寄生参数，进行后仿真。 模拟电路设计与工艺的联系比较紧密，仿真所需要的器件模型参数及设计 规则、器件版图必须与相应工艺匹配，才能实现高性能模拟i c 设计。图2 3 给 出了模拟电路设计和仿真的一般流程。 图2 3 模拟p 的设计流程 2 1 3 基于ip 的s o c 设计流程 与传统的i c 设计技术和方法相比，系统级的设计有三个不同的特点1 2 0 l 1 ) 设计抽象层次的提高 由于芯片上要实现的功能繁多，有些功能要用硬件实现，有些功能要用软 件实现，功能模块之间的关系也特别复杂，这就需要在更高的设计层次上来进 行i c 设计。 2 ) 核的重复使用 单个系统芯片上要实现的功能非常复杂，电路规模越来越大。使用i p 复用 l o 上海大学硕士学位论文 技术可使设计人员的主要精力集中到系统功能的实现和功能模块之间的关系 上，从而加快芯片的设计过程。经过验证的m 核也大大增加了设计的可预知性。 3 ) 先进的体系结构评估技术 一个电子系统通常包括软件部分和硬件部分，在系统级设计技术中，硬件 和软件是并行设计的。在完成系统功能的定义后，需要对系统进行软硬件划分。 在这个阶段，需要运用具有评估技术的软硬件划分工具，分析相关的评估数据， 以完成系统硬件和软件的划分工作。 在完成s o c 软硬件的划分后，软件和硬件的设计任务可以并行开展。软件 的开发一般基于处理器的指令集( i s a ，i n s t r u c t i o ns y s t e ma r c h i t e c t u r e ) ，主要 包括系统的操作系统和应用软件两部分。而s o c 中硬件设计的主要任务则是规 划系统的体系结构，确立各个功能模块的功能和互连协议，并据此选择合适的 i p 。因此s o c 设计是一个口集成的过程。 按照主流的数字集成电路的设计方法，s o c 仍然要进行总体的r t l 设计， 设计一些必要的接口，实现各个口之间的互连，完成完整的顶层描述；然后再 经过综合和布局布线，完成物理的实现。然而这只是一个理想的设计流程，在 实际工业应用中，p 复用并非我们想象的那么简单 2 2 1 。基于i p 复用的s o c 设 计会面临很多问题，比如多个口在系统中的验证及测试问题，系统集成过程中 接口综合的问题，口本身缺乏足够的文档和系统级评估模型等，严重阻碍了s o c 的快速发展。v s i a ( v i r t u a ls o c k e ti n t e r f a c ea l l i a n c e ) 成立的目的就是通过制定 能够推动混合和适配( m i x & m a t c h ) 不同厂商提供的p 的公开标准来极大地 加速s o c 的开发，它是半导体产业中从事口核设计规范化和接口标准化的国际 权威组织。 图2 4 为v s i a 提出的基于i p 复用的s o c 设计方法学t 1 9 1 由图可发现， s o c 的设计被明确地分为两个部分：口的开发和m 的集成。为了确保s o c 集 成过程中不同模块之间的匹配与系统整体设计的正确性，口开发商除了递交i p 的最终设计数据之外，还必须提交各个环节所需要的信息k 2 33 。i p 集成者必须得 到这些数据才能完成整个系统芯片的设计。中间阴影部分，即口的开发商和集 成商之间需要交换的数据、文档等内容的标准化，是v s i a 所希望解决的主要 上海大学硕士学位论文 问题 2 4 1 。 l p 开发商 v s i a j p 集成商 i - i - 一 图2 4 基于p 复用的s o c 设计方法学 2 2 传统混合信号验证方法 在摩尔定律依然有效的今天，先进的工艺技术确保芯片集成度持续增加， 在集成电路芯片设计和制造业经历由分离i c 、a s i c 向s o c 转变的过程同时， s o c 芯片也已经由数字s o c 全面转向混合信号s o c 2 5 1 0 混合信号s o c 中整合 了复杂的数字处理器、存储器、数字逻辑、i p 、高性能的模拟和混合信号功能、 通讯协议、加解密算法、驱动程序、实时操作系统以及应用程序等，因而混和 信号s o c 成为真正意义上的系统级芯片。混合信号s o c 设计中芯片的仿真和验 1 2 上海大学硕士学位论文 证将成为芯片设计的关键。 2 2 1 传统设计和验证流程 混合信号芯片的传统设计和验证流程如图2 5 所示。通常，数字部分沿用 自顶向下的数字设计流程，在寄存器传输级和综合后的门级进行验证。同时， 模拟部分使用自底向上的设计流程用s p i c et 具对电路进行晶体管级验证。然 后由系统集成部门在设计周期的最后阶段对整个s o c 进行最后的功能验证。系 统的全芯片验证可以分为晶体管级验证和门级验证两种方法 2 6 1 0 l 堑掣 要i r t l 靴 垤咖i 系统定义 全芯片验证 门级 ( 大量验证图形) t e s t b e n c hl 行为级 ( v e n l o g )l模型 匿 l 嘲表生成 全芯片验证 晶体管级 ( 部分验证图形) n a n o s i m t e s t b e n c hl 寄牛参数 ( s p l c e p w l ) ld s p f 图2 5 传统设计和验证流程 晶体管级验证使用纯模拟仿真环境，s p i c e 工具或快速s p i c e 工具都可以作 为晶体管级仿真器。s p i c e 仿真器采用修改的节点分析法来建立电路方程组。它 提供非线性直流分析，非线性瞬态分析( 时域分析) 和线性小信号分析( 频域 分析) 。瞬态分析是最重要的验证方法，但也是最费时的验证方法。如果信号变 化得非常快，瞬态分析需要大量的数学操作。因此在全芯片仿真时s p i c e 工具 效率很低，使用查找表和电路分块技术的快速s p i c e 工具更有优势，本文将在 后续小节具体介绍s y n o p s y s 公司的快速s p i c e 工具n a n o s i m 。纯模拟仿真环境 精度高，但即使是使用快速s p i c e 工具，在大规模全芯片仿真时仍然耗时长效 1 3 上海大学硕士学位论文 率低，而且需要对整个设计进行完整的晶体管级的描述，因此只能在设计结束 阶段进行，这会延迟对在设计规范定义阶段就已存在的缺陷的检测。由于不断 增长的设计规模和复杂度，全模拟的验证方法变得不切实际1 2 7 1 0 门级验证方法对于模拟电路只在模块级进行仿真，在系统级上用v e r i l o g 行 为级模型进行描述。同样，这种方法也只能在设计后期进行，延迟了发现错误 的时间。而且在全芯片验证阶段使用不同的仿真器，本身会引入不精确性，有 时会由于数模接口部分测试不充分而推迟设计进度。另外，在这种方法中，仿 真质量很大程度上依赖于行为级模型和时序模型的精确度，行为级模型与模拟 模块间任何不一致都有可能引入缺陷，这种缺陷可能会在样片测试阶段才暴露 出来。 2 2 2 混合信号仿真面临的挑战 随着芯片设计复杂度提高，混合信号系统成为片上系统芯片的发展趋势。 混合信号s o c 设计是一个复杂的嵌入式系统设计，设计的复杂性以及日益紧迫 的设计周期要求提高设计生产力，因而系统级设计、设计复用、抽象的设计描 述、混合仿真与验证成为混合信号s o c 设计成功的关键。 混合信号设计主要面临两大挑战：可预测的进度以及可预测的性能。 可预测的进度要求从设计开始阶段就跟上设计进度，这就需要一条从设计 到流片的快速渠道，缩短设计周期，应对激烈的市场竞争。 可预测的性能则需要满足设计性能要求以实现一次流片成功，降低设计成 本。保证一次流片成功，需要对设计的功能、时序以及数模接口信号进行充分 的、精确的验证。 图2 6 是混合信号s o c 设计中各阶段适合采用的设计描述方式及相关的设 计仿真技术。不难看出，在不同的设计阶段需要进行不同的仿真分析。 在系统级设计阶段需要进行系统级的仿真，这时全芯片、高速度、高性能 成为仿真的关键，因此仿真工具对不同的抽象描述语言的支持是最重要的，尤 其是行为级的h d l 语言，v h d l a m s 语言以及v e r i l o g - a 和v e r i l o g a m s 语言。 数字逻辑的设计则分别在行为级、r t l 级以及逻辑综合以后的门级层次进 1 4 上海大学硕士学位论文 行，成熟的逻辑仿真工具为这一领域的仿真分析提供了保证。 设计规格 图2 6 混合信号s o c 的设计仿真 模拟电路的设计可能采用v h d l a m s 、v e r i l o g - a 、v e r i l o g a m s 、s p i c e 等 描述方式，设计工程师需要在仿真速度、性能、精度以及仿真容量等方面进行 取舍。 同时混合信号s o c 设计中甚至也可能包括r f 的设计。 在版图设计之前可能需要进行全芯片仿真，取决于分析的精度、性能以及 容量等，可能是全芯片的s p i c e 仿真，也可能采用s p i c e + l - 级网表( 逻辑电路) 混合仿真、s p i c e + i t 级网表( 逻辑电路) + h d l ( i p ) + c ( i p ) 的混合仿真方式。 版图设计完成之后，需要进行物理验证，包括d r c 和l v s ，然后提取寄生 参数，再将寄生参数效应反标到原始电路设计中，实施布局布线之后的仿真。 这一阶段的仿真形式可能同版图设计之前的仿真形式一样，寄生参数可以采取 时序信息的方式或者分离的r 、c 元器件的方式来考虑。 上海大学硕士学位论文 从以上介绍的s o c 设计流程可以看出仿真验证耗费了设计周期的大部分时 间，其中全芯片的混合信号验证已成为大规模混合信号s o c 设计的瓶颈。统计 资料表明复杂s o c 设计中仿真验证通常占整个芯片设计周期大约5 0 至u7 0 的 时间1 2 8 1 。由此可见提升s o c 的设计仿真能力，尤其是混合信号的仿真能力， 寻求最合适的仿真分析以及验证的流程和方法，在确保仿真分析精度的同时提 高仿真性能是确保s o c 设计成功的关键。 为了达到混合验证所需的速度和精度，仿真器必须满足以下要求： 1 ) 必须为深亚微米效应建立适当的模型，比如模拟和高性能数字器件中 的串扰( c r o s s t a l k ) 和地弹效应( g r o u n db o u n c e ) 等 2 9 1 0 对9 0 n m 及 以下工艺必须验证寄生效应的影响。 2 ) 急剧增长的设计复杂度，对仿真器的容量和速度提出更高的要求。仿 真器必须能处理版图后仿真的大量寄生参数。 3 ) 必须支持不同抽象层次模型，在设计的各个阶段进行全芯片验证。这 使设计者能尽可能早的对结构和功能进行细调。 4 ) 该仿真器必须简单易用，并能无缝嵌入到已有的设计流程中。 2 3 基于n a n o s i m v c s 的混合信号验证流程 正是由于混合信号验证的重要性，各大e d a 公司均推出了混合信号验证平 台，比如s y n o p s y s 公司的d i s c o v e r ya m s 平台，c a d e n c e 公司i n c i s i v e 验证平 台中的i n c i s i v e a m s 引擎和m e n t o r g r a p h i c s 公司的a d v a n c e m s 平台。 2 3 1d is c o v e r ya m s 平台 本文使用s y n o p s y s 的d i s c o v e r y a m s 验证平台对设计进行混合信号验证。 d i s c o v e r ya m s 混合信号验证方案基于业界领先的三大仿真器：v c s 、h s p i c e 和n a n o s i m ，如图2 7 所示。这三个仿真器在各自领域都表现非常出色，当它 们通过统一的接口结合起来又能提供非常全面的全芯片验证方案1 3 0 1 0 1 6 上海大学硕士学位论文 图2 7 基于v c s 、n a n o s i m 和h s p i c e 的d i s c o v e r ya m s 平台 v c sh d l 仿真器是目前最流行的v e r i l o g 模拟器，在r t l 级仿真的性能和 能力方面处于领先地位。其出色的内存管理能力足以支持千万门级的a s i c 设 计，而且其模拟精度也完全满足深亚微米a s i cs i g n o f f 的要求。v c s 结合了 节拍式算法和事件驱动算法，具有高性能、大规模和高精度的特点，适合于从 行为级、r t l 到s i g n - o f f 等各个阶段。v c s 是s y n o p s y s 混和信号验证解决方 案的核心。 h s p i c e 是高精确度的模拟电路仿真软件，是世界上最广泛的电路仿真软 件之一，它无与伦比的高精确度和收敛性已经被证明适用于广泛的电路设计。 h s p i c e 可以分析由串扰和地弹效应等引起的问题，并可精确分析集成电路的 时钟网络、总线和关键信号。它还可以进行蒙特卡罗、最坏工艺角等复杂的分 析，使用户能设计出满足不同工艺、电压和温度设计约束的电路。它能提供设 计规格要求的最大可能的准确度。 n a n o s i m 是一个高速晶体管级电路模拟和分析工具，也称为快速s p i c e 工 具，其模拟速度高于s p i c e 工具几个数量级，适用于模拟电路、高性能数字电 路以及混合信号电路仿真，也支持用v e d l