Автоматизация проектирования аналоговых микросхем. Обзор существующих решений

Литературный обзор

В современных цифро-аналоговых интегральных схемах аналоговая часть проекта, как правило, занимает сравнительно небольшую часть общей площади ИС. При этом разработка аналоговых блоков требует непропорционально больших усилий разработчиков и времени. При проектировании аналоговых блоков большая часть операций выполняется в ручном режиме, результатом чего являются длительные стадии проектирования и высокая вероятность ошибок, а также множественные проектные итерации. Основное время расходуется на выбор схемотехнического решения, подбор параметров элементов и создание топологии. Большой период времени, затрачиваемый на разработку, а значит и затраты, необходимые для получения продукта, становятся для многих фирм камнем преткновения в конкурентной борьбе за лидирующие позиции на огромном рынке аналоговых схем. Таким образом, сегодня нахождение путей, позволяющих сократить сроки и снизить стоимость разработки, является очень актуальной задачей. Анализ литературных источников позволяет сделать вывод, что в настоящее время разрабатываются различные подходы к решению этой проблемы.

Во многих работах и исследованиях в этом направлении было предложено использовать синтез электрической схемы, по примеру цифровых ИС, и для аналоговых блоков. Данный подход применим для широкого класса наиболее часто используемых аналоговых схем. В то же время универсальность описываемого метода влечет за собой и один существенный недостаток: он не учитывает специфику каждого конкретного типа схем.

Второй, более современный подход, состоит в разработке ряда инструментов синтеза, каждый из которых оптимизирован для конкретного типа устройств (аналого-цифровые преобразователи (АЦП), ЦАП, операционные усилители и т.д.).

Разработка таких подходов является очень трудоемкой и затратной работой. Нужно предусмотреть много условий, чтобы добиться полной автоматизации аналоговых блоков.

Наиболее используемым на данный момент путем является применение в процессе проектирования встраиваемых IP-блоков. Интегрируя в проекте готовые IP-блоки от сторонних разработчиков и блоки, разрабатываемые собственными проектными группами, можно обеспечить необходимый компромисс между стоимостью и сроками создания конечного продукта. Предприятия, предоставляющие такие библиотеки, готовят на каждую ячейку паспорт, в котором приведена вся необходимая информация и справочные значения основных электрических параметров. Преимущество готовых блоков заключается в том, что при их использовании проектировщик не тратит время и средства на разработку и верификацию. Так как используемые в IP-блоках технические решения уже прошли технологическую апробацию и подтвердили свою работоспособность будучи реализованными в конкретных кремниевых БИС.

Но можно выделить и недостатки такого метода. В библиотеке элементов разработчик ограничен выбором из нескольких десятков усилителей, источников опорного напряжения, преобразователей с фиксированными параметрами и т.д. Чтобы приспособиться к такому ограниченному выбору, разработчику, возможно, придется пойти на определенные жертвы в том, что касается достижения требуемых характеристик. А для аналоговых схем это непозволительная роскошь. Если вы и ваши конкуренты строите свои проекты на базе одной и той же библиотеки стандартных элементов смешанного сигнала, то вы получите приблизительно те же характеристики, которые определяются параметрами. Настоящая индивидуализация продуктов определяется вложенными в них новыми решениями. Это можно достичь благодаря созданию уникальных особенностей продукта, не всегда легко доступных для конкурентов. Библиотеки элементов с фиксированными параметрами не позволяют создать уникальные свойства продукта, которые часто нужны для критически важных аналоговых приложений.

Разработка библиотеки аналоговых базовых и сложно-функциональных блоков с изменяемыми пользователем параметрами (PCELLs) сможет решить эту проблему. Среда Cadence позволяет претворить в жизнь данную задумку.

В современных САПР пользователь обычно не проектирует топологию отдельных элементов, он лишь задает их параметры, а система сама создает требуемую топологию элемента. Таким образом, при создании топологии отдельных элементов используется принцип параметризованных ячеек - PCELL. Идея состоит в том, чтобы использовать этот принцип при создании топологии следующего уровня, т.е. элементарных аналоговых / цифровых узлов, в которых взаимосвязи и геометрия расположения элементов будет описана по аналогии с геометрией полигонов в самих элементах, например, с помощью программ на языке SKILL.

Ячейки удобны в использовании. Вставляя выбранную ячейку, задаются необходимые параметры. При работе можно их поменять, что приведет к изменению топологии без особых усилий. Построение топологии ячеек осуществляется исходя из технологических требований и норм проектирования. Дизайн элементов продумывается на основе ранее использованных продуктов, которые уже неоднократно прошли проверку на надежность. Таким образом, использование такой библиотеки сократит ошибки, связанные с человеческим фактором, а также гарантирует работоспособность используемых элементов. Исследование статей и публикаций по данной теме показало, что проектирование библиотеки параметризованных аналоговых базовых и сложно-функциональных блоков является нераскрытой темой и требует глубокого изучения. В настоящее время большинство предприятий предоставляет библиотеки только стандартных элементов, таких как транзисторы, резисторы, конденсаторы и т.д. Поэтому разработка библиотеки элементов более высокого уровня является очень актуальной на сегодняшний день. Использование разработчиком такой библиотеки, позволит сократить сроки и снизить стоимость проекта.