模拟设计与验证工具现状

　　大约从20世纪80年代起，就有许多业内专家宣称模拟电路已走进死胡同，而数字应用将在电子世界中大放异彩，包括用在通信上的集成电路（integrated circuits，ICs）。在现实中，当然，现代化的通信系统同时需要将模拟及数字功能复杂地融合在一起。
　　不过有一个问题，比起它的数字同胞，在支持自动化能力这方面，模拟设计及验证工具却远远落后。其结果，模拟设计工程师的生产力远不及数字搭档来得强。
　　就以数字集成电路设计为例，现代最先进的设计环境提供了高阶的自动化，即使是包含上亿个晶体管的最复杂设计，也能在短短几天内重新转给新的代工厂、同一座代工厂但不同的制程、甚至全新的技术节点。
相对地，缺乏自动化支持的传统式模拟设计环境，代表模拟电路的制作及修改几乎全靠人工。这样的结果，即使把相当简单的模拟功能转向新的代工厂、制程或技术节点，也要耗费6～12个月的时间。换言之，虽然尖端的数字设计已经达到32nm的技术节点，绝大多数的模拟设计仍深陷在130nm及250nm节点的泥沼之中，那算是5～10年前的老旧技术了。
　　首先，本文先提出数字设计及验证技术演进的概观，并说明现代最先进数字设计环境在支持高阶自动化上的生产力优势。本文接着提出模拟设计及验证技术演进的概观，并且拿来跟数字的自动化能力做对比。
最后，本文讨论了模拟工具必须予以强化以支持更高阶自动化的方法；同时也阐述了现代化IC设计环境必须强化的方法，以具备足以支持真正的、统一的、全芯片混合信号设计、验证、及实现的能力。

　　数字工具的演进

　　早期的数字IC设计，约20世纪60年代初期，电子电路皆以手工建立。电路图（原理图）都是用纸笔及印刷模板以手绘制。这些图面显示逻辑门与功能的各式符号，并且用来实现符号之间连线的设计。
　　执行"功能验证"时，通常是一群工程师围坐在桌子旁，通过原理图兢兢业业地讨论："这部分我看应该没问题！"同样地，进行"时序验证"时，典型的做法也是靠着纸和笔。最后，用来组成晶体管、电阻器及彼此之间互连的架构都是以人工绘制而成的。
　　毫无疑问，这种手工艺品方式的设计极为耗时，而且很容易出错。这种情形必须要有解决之道，于是有些公司及大学就率先跳出来，采用各种不同的研究方向。就设计获取(design capture)而言，门级(gate-level)的"原理图获取"套件即在市场上开始出现，至于功能及时序验证，在20世纪60～70年代初期所看到的，则是先出现以"事件驱动逻辑仿真器"及"静态时序分析器"为形式的专门程序。
　　以抽象的门级建立数字设计，就如同使用汇编语言撰写软件程序一般。就执行效率及所需的计算机内存数量而言，汇编语言的程序或许是不错的实施，但它需要很长时间的获取及确认，而且不容易转到另一台计算机上。同样，门级的表示方式也需要很长的时间获取及确认，转移到新的代工厂或制程／技术节点也相当困难。
　　至于软件方面，开发者的解决方案则以程序语言（如C语言）的形式，提升至另一个更高层次的抽象概念。然后，这些高级表达式可以编译成计算机所需的机器级指令。这些高级表达式的优点是，可容许软件开发者迅速而精准地捕捉到程序的含义，确认其功能。同时，以C语言撰写的程序可以很容易地转移到其他的计算机平台。
　　同样，对于数字逻辑而言，设计工程师也开始提升至更高阶的抽象概念，称之为"寄存器传输层"（Register Transfer Level，RTL）。在20世纪80～90年代初期登场的"逻辑综合"(logic synthesis)则用来将RTL表示式编译成对应的门级网表(netlist)。这项"前端"综合技术另以"后端"的自动布局布线(place-and-route)引擎补其不足之处，后者可从门级网表，执行设计的物理实现。
循着C语言程序在编译后能用在不同计算机上的足迹，RTL与逻辑综合的组合让数字设计能更轻易地移植到新的代工厂或制程／技术节点。

　　模拟工具的演进

　　实际上，模拟电路的计算机辅助设计与验证工具，在早期是优于数字电路的。模拟电子系统设计在刚起步的时候，电子电路完全靠人工绘制。晶体管层的电路图完全用纸笔及印刷模板以手工绘制，再搭配基本的"纸笔"分析及验证。
　　在设计由离散（独立封装）的元器件例如晶体管、电阻器、电容器及电感组成时，通常是建立设计的实体原型，将它放上测试平台(test bench)，测量实际的数值，以判定性能优异，然后参考元器件所得的数值，新增或移除所需的元器件，以达到期望的效果。
　　很显然，这种方法在开始建立第一片模拟IC时并不可行，因为IC设计的工程变更代价非常昂贵。在20世纪60～70年代初期，有几所大学及商业公司着手开发模拟仿真器。这些程序让学生及工程师得以仿真模拟电路，而无须实际付诸行动制造。早期的几个仿真器中，最有名的大概就是"SPICE"（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis），这套程序是由加州大学柏克莱分校所开发，并在70年代初期广为流传供大家使用。
　　随着时间的演进，模拟仿真在基本模型及算法的复杂度，以及仿真引擎的能力与表现上，有显著的发展。多数今日所使用的模拟工具都发祥成形于20世纪90年代的初期与中期。和其他不同的是，这些工具的基本结构从未试图支持混合信号设计环境的复杂需求，一如本文稍后章节的讨论。
　　或许更重要的是，现今的模拟设计及验证工具在实质上仅限于捕捉及模拟晶体管级的单线图。到目前为止，有关自动化的成功案例仍属凤毛麟爪，例如：
　　● 在高阶抽象概念上描述模拟功能，然后用来生成等效的晶体管级电路。
　　● 自动优化模拟电路。
　　● 自动布局布线模拟电路。