为实现混合信号芯片设计，模拟设计工具必须迎头赶上

就在不久前，市场上的绝大多数IC从本质上说，不是纯数字电路就是纯模拟电路。而如今，为了满足成本、尺寸、重量和功耗等方面的要求，复杂的模拟和数字功能组合出现在了"混合信号"器件上。

虽然传统的模拟设计和验证工具经过多年发展已经在容量和性能上取得了很大进步，但是它们的基本架构在很大程度上却仍然是基于上世纪90年代中期的技术。数字工具目前已经发展到能够提供高度自动化的水平，从而极大提高了设计者的产能。与其不同，模拟工具所支持的自动化水平极低，而模拟设计工作也仍然在很大程度上依赖手工作业，整个过程耗时且容易出错。

大约在上世纪60年代初，也就是数字集成电路设计的早期，工程师用钢笔在纸和蜡纸(偶然还会用到餐厅的桌布)上绘制原理图。原理图上显示了用于实现设计的逻辑门和功能符号，以及它们之间的连线。

同样地，那些用来形成晶体管逻辑门的结构和互连，也是手工绘制的。这些由很多组简单多边形组成的绘图，后来被用于制造光掩膜，又被用来制造实际的硅片。

数字设计自动化首先出现在上世纪70年代的早期到中期，涉及到门级电路原理图输入(schematic capture)、事件驱动型仿真，以及自动布局布线。在80年代后期和90年代初期，设计师开始转向更高的抽象层。逻辑综合技术已经可以用来将寄存器传输级(RTL)描述转换成相应的门级网表。这样不仅提高了设计师的产能，将RTL和逻辑综合进行结合也使得数字设计很容易向新的代工厂或工艺节点移植。

最近推出的一些工具，如Magma的Talus环境，可以在自动实现一个数字设计，从RTL到出带仅需两天甚至更短时间，而且不管这个数字设计的规模有多大。

模拟工具

在模拟系统设计发展的早期，电路同样是利用手工绘制的。设计人员利用钢笔和纸绘制晶体管级电路图。对于那些由分立(单个封装)器件，如晶体管、电阻、电容和电感组成的设计，设计人员通常需要构建该设计的物理原型，将其放在测试工作台上，通过测量实际数据来确定该电路性能的好坏；然后，再通过调整元器件值、增加或删除所需要的元器件来达到理想效果。

然而对IC设计来说，重新流片非常昂贵。因此，在上世纪60年代末到70年代初，许多大学和商业公司着手开发模拟仿真器。该项目可以帮助学生和工程师在无需首先搭建实际模拟电路的情况下，就可以仿真模拟电路的运行。SPICE或许是早期最有名的仿真器，它由加州大学伯克利分校开发而成，从上世纪70年代起就得到了广泛使用。

经过多年发展，模拟仿真无论在基础模型和算法的成熟性，还是仿真引擎的容量和性能方面，都取得了长足发展。但即便如此，目前大多数模拟工具还是停留在上世纪90年代中早期的水平。它们所采用的基础架构，已经无法满足混合信号设计环境的复杂要求。

也许更重要的是，目前的模拟设计和验证工具从本质上还仅仅局限于捕获和仿真晶体管级原理图。迄今为止，它们在自动化方面所取得的成功相当有限，而且将现有设计向新代工厂或技术节点进行有效转移，则需要从头开始重新实现整个电路。

真正的混合电路

首先也是最为重要的，在一个真正的混合信号环境中，所有的模拟/数字设计以及验证引擎，应该采用统一的数据库。为了满足当前高端混合信号设计的要求，这种解决方案很明显必须提供极高的容量和性能，例如在一分钟甚至更短时间内加载整个数据库、在数秒内完成全部模拟和数字层的刷新等。在全芯片层，设计环境必须在芯片完成阶段支持自动全局布线；此外，系统还必须支持全芯片混合信号提取和仿真。

其次，必须进一步增强模拟设计工具性能，使之提供与数字设计工具相同的自动化水平和产能。例如，在高层抽象级详细说明模拟功能，然后将这种说明自动综合为相当于晶体管级的电路，再执行模拟微调和优化。最后，还必须自动实现模拟设计从一个工艺节点向另一个节点，以及从一个代工厂到另一个代工厂的自动转移。

在具备及时快速设计大型且复杂的混合信号器件能力方面，我们即将面临重大转折。先进的混合信号芯片设计师们需要这些能力，而且表现的非常迫切。



作者：Ashutosh Mauskar

产品与业务开发副总裁

ashu@magma-da.com

定制设计业务部

Magma设计自动化公司