将可扩展电源完整性分析引入模拟IC设计

电源完整性是集成电路设计和验证中的一个广义术语。然而，当IC工程师通过设计签收工作时，电源完整性分析侧重于设计的三个具体方面:

• 力量:验证所实现的芯片设计提供了不同工作模式下的总预测功率。
• 性能:发现并消除受布局影响的性能问题，如低速衰减、功能故障等。
• 可靠性:发现并消除可能影响性能和产品寿命的布局实施问题，如电迁移(EM)，自热等。

为了成功满足对集成传感器系统的产品日益增长的需求，模拟设计公司必须确保其片上系统(soc)能够提供消费者期望和要求的电源完整性和运行可靠性。电源完整性分析使设计团队能够确保芯片的实现符合原始规格的电源设计目标。反过来，这为芯片实现项目的技术和业务目标提供了保证。

模拟功率分析的挑战

然而，模拟和传感器组件的指数级增长，以及对数字和模拟组件功能集成的需求，都强调了电源完整性验证过程(图1)。模拟IC设计人员在进行物理和电气签收时，根本没有所需的电子设计自动化(EDA)电源分析工具和方法。

图1:从5nm到28nm，各个技术节点的模拟块数量以10-15%的CAGR增长。在所有技术中，权力领域的数量也在增长，最先进的技术增长最快。(来源:Semico [1])

设计抽象非常适合数字流程，现有的EM/IR签收工具为数字设计提供了良好的可伸缩性和性能，但模拟设计流程并不适合这种划分的流程。模拟设计人员希望运行基于spice的动态分析，以确保他们捕捉到芯片在真实工作模式下的所有效果。现有的EDA工具可以用于小型模拟设计，但随着公司开始将存储器和大型传感器阵列集成到设计中，并将更多这些设计集成到模拟系统中，SPICE模拟器的容量和性能产生了限制，超过这些限制，它们就无法模拟整个电路。基于模拟的动态分析通常仅限于晶体管小于1-2M的设计。超过这个尺寸，典型的方法是静态分析，或对手工选择的网络和芯片部分进行SPICE模拟。设计团队把他们的芯片拿出来了，但这要花费他们公司的工程时间和覆盖范围，这两种情况不仅增加了设计成本，还增加了最终产品质量和进度的风险。

此外，数字和模拟电源分析工具的使用都存在明显的问题，特别是对于每年只执行几次电源完整性分析的设计团队。收集所需的输入几乎总是困难和耗时的，并且设计人员必须从基本流程设计工具包(PDK)创建额外的设置。

这一切意味着什么?对于数字设计来说，没有那么多。设计公司使用可用的工具来完成工作，即使它并不总是最合适的过程。然而，对于模拟设计来说，最大、最复杂的系统最终会被过度设计和/或通过繁琐的工程解决方案进行分析，这将耗费工程师时间，并带来产品和进度风险。这意味着更多的时间、更多的资源和更高的成本。模拟和混合信号芯片设计人员需要一种快速、有效、准确的方法，将他们的功率分析扩展到完整的模拟系统级别，然后扩展到数字/模拟组合芯片，最后扩展到多芯片设计。然而，EDA行业还没有一个可扩展的模拟功率分析退出解决方案。直到现在。

可扩展模拟功率分析

西门子EDA的mPower工具套件使公司能够对模拟和数字电路进行验证EM/IR分析，以确保实现的设计在制造时满足性能和可靠性目标。

虽然mPower可以处理市场上最大的数字设计，但它有能力分析各种尺寸的模拟和传感器系统，使设计团队即使是最大的全芯片设计也能获得高可信度的签字结果。当然，这种可伸缩性需要一个基础。该解决方案的核心是一组全面的引擎，它们分别针对它们所运行的数据进行了优化，并被设计为在公司常用的异构计算网格类型上高效工作。

对于模拟设计人员，mPower analog高容量(HC)动态分析功能为任何尺寸的模拟电路提供了基于仿真的完全覆盖(图2)。HC动态分析从块级SPICE模拟提供了全芯片和阵列分析，用于详细的功率分析和更快的整体周转时间。通过使用预布局SPICE模拟，它还可以在设计周期的早期实现更快的迭代。

图2:对于最大、最复杂的模拟块和芯片，HC动态分析用基于模拟的EM/IR分析取代了动态和静态分析的混合。

但是EDA工具还有另一个重要的方面——易用性。如果设计师不能轻松有效地使用工具，那么即使工具的核心功能很棒也不重要。除了非常大的公司，EM/IR签收是大多数设计工程师每年要做一到两次的工作。这意味着每个工程师，在某种程度上，每一次都要重新开始。虽然大公司的CAD团队可以围绕EDA工具构建包装器，使其更易于设计团队使用，但这种方法(令人惊讶!)对于大多数设计公司来说并不实用。这些设计师最终会花费大量时间来记住如何运行工具或弄清楚结果意味着什么。

为了确保易用性是该工具的核心组成部分，mPower Analog使用行业标准格式和简单而熟悉的TCL命令语言。此外，mPower Analog工具适用于所有寄生提取器和模拟器。一个快速、稳定、易于使用的四视图GUI用于调用和结果调试，使设计人员可以简单地识别根本原因，然后通过Calibre RVE接口将结果突出显示到设计工具中进行修复(图3)。

图3:工程师可以快速轻松地运行电源完整性分析，然后使用mPower GUI调试结果。

总结

性能始终是EDA工具的一个关键指标，但最大的性能指标是EDA工具使您能够做一些以前根本不能做的事情。通过准确、易于使用、可扩展的电源完整性验证，可以很容易地集成到现有的模拟和数字设计和验证流程中，设计团队现在可以使用合格的EDA电源分析工具来准确测量大型模拟系统的IR下降和EM性能，而不必投入数周的工程时间，也不必担心设计分析不足。

参考文献
[1]塞米科研究咨询集团，2019。“2019年主要终端市场应用开始ASIC设计。”https://semico.com/content/asic-design-starts-2019-key-end-market-applications

额外的信息
介绍mPower:在任何规模的整体设计中，不妥协的电源完整性