模拟设计失败的原因

模拟和数字的可靠性增长之间的差距,和数字设计似乎赢。

报告显示,模拟内容最测试失败原因和贡献远远超过数字领域的回报。原因并不总是显而易见的。一些是由于成熟模拟设计和验证。虽然已经取得了巨大的成就在数字电路,模拟电路设计自动化和验证方法落后。此外,尖端节点使其越来越难以构建可靠的模拟电路。

“模拟块占很大百分比的芯片故障,”斯科特•盖顿表示经理解决方案架构导师,西门子业务。“这是由于高复杂性,一个容易出错的过程,全定制设计、可变性,有限的系统验证鲁棒性评估,和更少的自动化相比,它的数字。”

其他人则更直接的评估。“模拟是一个恐龙等待流星,”史蒂夫·刘易斯说营销总监节奏。

有统计数据来证明这个观点,。”一个方法的进步跟踪模拟设计方法是场失败的百分比将模拟设计元素与其他元素相比,“艺术Schaldenbrand说,高级产品经理在节奏。“在VLSI测试研讨会,报告,95%的领域失败是由于模拟设计的元素。所以,有重大问题。”

然而,并不是每个人都认为这个问题。“模拟是很困难的,”苏尼尔承认Bhardwaj,高级主管Rambus“印度设计中心。“这需要来自设计师的投资。接口芯片的方式与世界其他国家的相互作用,这是模拟的定义。我们看不到这部分的设计贡献不对称故障。”

同样重要的是区分好的和坏的模拟实现。实际上,并不是所有的模拟都是平等的。

“我们的设计是大约90%混合信号在物理层方面,体育是一个更困难的IP,发达的高速并行转换器或内存接口,”弗兰克说,铁在Rambus产品管理高级主管。“可靠性是首先要求这些接口。在数据中心工作,汽车也有类似的温度要求,它必须是可靠的操作——年。我们必须满足非常严格的标准,无论是模拟或数字。”

但模拟需要一种不同的方法,大部分源于设计师经验,而不是严重依赖的工具。”在模拟电路设计自动化的缺乏使更多的质量和性能负担个人的经验的设计师和设计团队与数字设计团队,“盖顿说。“这个需求导致更高的设计成本由于设计周期较长,自定义流,和更高的资源成本。”

这种情况
进展仍在使模拟更容易、更可预测。“传统上,模拟设计被认为是一种艺术形式最好留给那些喜欢摆弄一些型号的晶体管,”解释曼努埃尔·莫塔,产品营销经理Synopsys对此。“工具来支持模拟电路设计自动化和系统化一般并不可用,导致长期和艰巨的发展阶段和可能偏离预期目标。然而,设计流已经进化,使高质量的设计通过部分的自动化设计和验证工作,更简单和更准确的注释硅效果在设计周期的早期阶段,和更精确的设备模型和仿真器。”

模拟电路与数字电路,没有很好的伸缩性。“大多数技术扩展针对数字世界,“Bhardwaj说。“很多的关注,至少从晶体管技术的发展,在开关。这是一个数字的概念。模拟开发人员的一大挑战是能够理解的模拟影响萎缩的几何图形。这是最好的方向努力,并不总是一个模拟designer-more不匹配,更多的变化。然后你添加的EDA工具并不总是理解,这些设计困难。我们只能通过经验丰富的工程师进行补偿。”

扩展并不适用于模拟以同样的方式。“一般来说,极端先进节点不产生重大影响的模拟部分的晶体管设计,”史蒂夫·刘易斯指出,营销总监在节奏混合信号。“通常,这些晶体管是确保负载较大,配电,和信号保真度都得到了很好的维护应用程序中。小的节点做影响数字岩心和信号处理电路。但这就是为什么我们有混合信号仿真,因此我们的客户可以把域,每个保持合适的晶体管尺寸应用程序。”

但即使有影响。“模拟电路设计是由工艺参数,包括供应电压,晶体管,阈值和f_T”,盖顿说。“这些随每个新兴技术。埃克斯波特学院的新兴趋势更低的能耗,提高能源效率是一个关键的品质因数导致更严格的时序要求,低噪音,和稳定的温度。当我们搬到小流程节点与低电压和低功率需求,保持相同的噪声性能是非常具有挑战性的。低功率和低噪声是相互冲突的需求。这使得理解设备噪声和其影响比前代更为重要。”

放缓设备扩展可以帮助模拟迎头赶上,。“摩尔定律的终结将开始产生重大影响,”本杰明Prautsch说,先进的混合信号自动化组经理弗劳恩霍夫IIS /东亚峰会。“没有那么大的压力模拟内容移动到新节点,既费时又昂贵。但有次要优势住在旧的节点。随着这些节点越来越成熟,他们将增加知识,减少欲望或需要更多的新技术。在某种程度上的集成射频和模拟组件将会停止。”

节奏的Schaldenbrand说设计师有几个选项实现模拟功能的高级节点的过程。其中包括:

• 实现相同的设计。这需要特殊工艺技术模拟功能。
• 实现相同的设计在一个先进的流程节点,这是极具挑战性。
• 数字化ADC和DAC的功能尽可能接近真实的世界,使用数字信号处理。需要定义高分辨率、低功耗数据转换器,它是相对简单的。
• 开发新的模拟原语高级节点满足性能需求的过程,例如,取代op与环安培安培,环形振荡器用作放大器。
• 使用数字电路实现模拟功能,如全数字锁相环。

数字辅助模拟
还有另一种选择。“模拟块萎缩在面积和功耗的方式可能是令人惊讶的对许多人来说,“说Synopsys对此莫塔。“可能是认为,对于一些功能,面积和功耗相应减少利率与摩尔定律一致。我们可以展示的示例不同模拟函数从数据转换器,物理,甚至射频收发器。这种进步不是简单地通过优化实现晶体管尺寸的新工艺,这是不够的,因为模拟设计很少利用最小大小的晶体管由于模拟性能(线性)和匹配问题。相反,模拟设计师开发新架构部署相同的功能。而不是对先进的“数字”的本质过程,模拟设计师利用丰富的盖茨(和小区域)的数字实现的数字化辅助模拟功能。“模拟块简化其原始模拟性能为代价的,但包括旋钮,使嵌入式数字功能分析的实际性能和校准和正确的操作,从而达到正确的性能在每个条件。”

Rambus在类似的方向。“当我们看模拟电路,他们有明显的数字内容,“Bhardwaj说。“我们经常依赖数字技术协助模拟处理变化,处理各种各样的配置,处理校准和培训。这是最好的数字来完成的。设计正在成为混合信号,很多模拟数字组件校准模拟提高鲁棒性。我们总是必须考虑体系结构。有很多先进的模拟设计的体系结构,我们使用数字技术,特别是在电力方面,提高模拟电路的性能。

测试和验证
原因有三个主要的模拟故障。设计可能没有得到验证,使得该领域的变化会导致失败;芯片测试没有抓到一个特定的设备不符合其操作参数;领域或参数漂移可能导致设备的宽容。

比较自动化的水平可用于数字设计师为验证,可用于模拟设计师。“数字设计师执行他们回归夜间和进度进行跟踪报道,“Schaldenbrand说。“模拟设计师甚至没有工具来执行验证。例如,断言报告通过和失败,而是许多模拟设计师仍然需要手动“眼球”波形对他们的设计的功能做出决定。”

这使得模拟电路设计更加昂贵。“EDA行业都做了大量的工作在使数十亿晶体管设计,“Bhardwaj说。“然而,模拟验证仍然很多依赖技术,是十多年前开发的,香料。随着模拟的内容增加带宽需求和接口要求,我们没有工具可以处理这种复杂性。所以设计社区的投资,设计工程师和他们的经验,最重要的是他们的时间,进入模拟验证。”

EDA公司长期以来一直认为,这是一个机会。”已经有了一些传统的方法来解决模拟验证问题和有一些新兴趋势,借用我们的数字弟兄们,”Lewis解释道。”在前,有角的使用/统计数字仿真和建模,可以帮助设计中心设计达到最大密度,同时保持足够的“边缘”的设计缓解很多可能发生的变化。”

莫塔表示同意。“设计实现高覆盖率需要成千上万的蒙特卡罗运行每一个角落,这是不实际的。幸运的是,现代技术处理大的可变性,基于高σ分析,sigma-amplification等显著减少仿真时间,只到数以百计的运行,同样的报道。”

新技术,刘易斯指出出现的可靠性和故障测试的模拟。“在过去的几年中,新的ISO标准已经开始出现协助模拟故障的描述,尤其是对汽车行业,这在很大程度上依赖于模拟电路,提供模拟设计师的路径扩展模拟电路设计的测试周期,从而提供了一个更深层次的模拟部分的长期生存能力的信心。”

这将成为今年更好的定义。IEEE P2427”标准模拟缺陷建模和报道,“将定义如何建模的缺点并计算测试覆盖率。的标准应该加快开发和部署工具来模拟故障模拟2019年的测试覆盖率。

白皮书史蒂夫是我写的,工程混合信号DFT主管导师,指出每个模拟晶体管测试时间并没有减少。相比之下,有一个了不起的数字内容的改进。“对混合信号集成电路,测试时间模拟部分可以主宰总测试时间。对混合信号汽车ICs,整体测试质量稳步提高,直到最近。当结果渐近方法限制,它表明一个新的策略需要显著改善的结果。”

图1:汽车ICs缺陷率和失败的原因。来源:导师

模拟测试是一个挑战。“能够区分1和0,想出测试,而不是能够区分速度multi-gigabit获得和操作能力,是两种截然不同的东西,”Bhardwaj说。“我们有很多技术在DFT和扫描能够测试的功能逻辑,但模拟依赖于高速测试的能力,这些测试是复杂的,需要时间。他们需要实验室特性和电性能测试或晶片测试水平很困难能够为所有的测试。有技术,模拟类似于数字帮助,依靠数字信号能够测试模拟鲁棒性”。

要做到这一点,传感器插入到芯片,性能的传感器,如温度传感器或角落。“他们作为模拟设计存在,当正确使用他们能够校准和偏移量的性能模拟系统,以便它可以调整,“Bhardwaj补充道。“如果一个芯片是好的,或者如果有变化过程,很多设计数字帮助,让他们调整和处理变化。”

一旦插入,这些传感器可以帮助适应芯片,而不是失败。“鉴于衰老过程是复杂的,往往很难完全预测,今天许多芯片设计往往过度设计,以确保足够的利润以满足可靠寿命的要求操作,”斯蒂芬•Crosher说首席执行官Moortec。“如果衰老过程可能会变得更加确定或更好的是,如果你可以在real-time-then监控老化过程可以减少过多的和潜在的开发芯片的反应和调整老化效果,甚至预测芯片故障可能发生的时候。”

结论
模拟电路设计总是会比数字更困难,并选择excel在这一领域的公司,可以为他们提供保护护城河。

“进化过程由摩尔定律不是模拟内容的限制,“莫塔说。“它打开了新的大门和创造性的架构,因此这是一个机会。挑战依然存在,尤其是在设计自动化方面的生产力。即使广义的终极目标自动模拟设计合成和优化似乎仍然遥远,是一个地区发展的。”

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