背景介绍

  随着移动互联设备的迅猛发展,RFIC中无源器件的设计变得炙手可热。然而,各种RFIC无源器件的设计过程,却面临着来自半导体工艺方面的诸多挑战。设计人员需要一种能够快速精确地计算无源各种的电磁场特性的工具,以帮助他们优化器件的性能,降低研发的风险。

解决方案简介

                                                                       射频无源器件设计

  • 提供3D建模和电磁场仿真工具,该工具套件能与Cadence设计环境进行无缝对接
  • 采用了多核并行计算等多种优化算法提高性能。经过测试,该解决方案最大支持200GHz的仿真频率,并可以处理1M以上的未知量。
  • 能够实现对RFIC电路中无源器件的三维全波电磁场仿真,有效地缩短无源器件的设计周期,降低了客户的设计风险。

应用工具

(一)eWave三维全波电磁场仿真工具

  eWave无与伦比的速度、先进的求解和计算技术使得它成为射频、微波和高速数字设计不可缺少的工具。

  eWave提供了最先进的求解器技术,它基于Method of Moments(MoM)算法,可解决非常广泛的RFIC应用问题。eWave求解器集成了功能强大且自动化的求解过程,你只需要指定几何结构、材料属性和目标结果,随后,eWave会自动生成合适、高效且精确的网格,并使用MOM求解技术求解问题。

  在eWave界面中,用户可以导入或者自建GDSII几何模型,设置材料属性及层特征,进行仿真。片上电感、变压器、微带线、射频互联以及其它片上无源金属层结构等这些类型的设计可以很方便地在eWave电子布局环境中建模,IC设计师可将eWave集成在现有的EDA设计流程中使用,以评估片上器件产品电磁性能,包括传输路径损耗(金属损耗及介质损耗)、衬底及互联耦合效应、边际耦合电容等。

1、核心技术

  • MOM三维全波的求解器,可以提取非常准确的集成电路参数; 使用全波多层格林函数可以非常准确获得基板和介电损耗;
  • 自适应网格剖分技术:根据片上结构的电磁特性自适应网格大小以兼顾仿真速度与仿真精度;
  • 电路分区和相互毗邻块状对角线结构矩阵技术来解决大规模集成电路的仿真;
  • 快速并行技术(多线程, 多进程),以加快解决大规模电路的验证;
  • 螺旋电感,传输线模型器的快速综合及验证。

2、应用场景

  2.1螺旋电感的设计

  eWave 提供了工业上最有效的仿真IC多层结构的技术,可有效处理了RFIC 中绕线电感涉及到的趋肤效应、寄生耦合、多层有耗衬底损耗、衬底及互联耦合效应等问题。

  片上绕线电感设计案例

  2.2高Q值无源滤波器仿真

  eWave 为RFIC 设计者们提供了最精确的模拟仿真手段,同时仿真薄介质和多电感耦合时性能超群,能很好的满足设计需求。

  LC滤波器设计案例

                          

  2.3片上无源器件库的设计(IPD)

  针对客户的产品工艺流程,结合Ninecube满足工业标准的设计流程,设计、优化满足客户设计要求的IPD库,包括LPF、BPF、巴伦、双工器、耦合器。

3、功能特点

  3.1 快速的3D全波电磁场仿真

  为了达到片上结构的速度和精度要求,eWave采用了一系列快速有效的数值计算方法:

  • 用于大规模无源器件计算的Boarded Block-Diagonal (BDD)算法
  • 用于大矩阵求逆的迭代矩阵求解算法
  • 自适应网格和过孔压缩算法以达到最优的速度和精度
  • 预调处理以保证低频下矩阵求解的收敛性
  • 快速频点扫描算法

  借助所采用的优化算法,eWave的仿真速度内存和算法复杂度达到或接近由传统工具的N2减少到了NlogN,极大地提高了仿真性能,使得客户可以对更大规模的电路进行有效仿真,缩短了产品开发的周期和风险。

                                                45 nm 多电感结构 (12-电感)

                          12电感的仿真结果:未知量与仿真时间 

3.2 极高的设计精度

  eWave片上电感仿真结果在foundry通过实际的测量中获得验证。根据芯片的实测结果,eWave的仿真精度误差为:L<5%、Q<10%,从而确保了仿真结果的精确性,有效避免了设计隐患。

  注: L、Q均为用户设计时希望达到的电路参数, L为电感值, Q为品质因素。

  foundry流片电感

                         

3.3良好的设计接口

  无需更改设计环境,重新学习,eWave 能够无缝集成到Cadence Virtuoso。无需通过导入或导出文件,直接在 Virtuoso工具栏中,选择PCD,即可调用eWave 电磁场求解器。

                                                       eWave集在Virtuoso设计环境

3.4 其他特点

除上述特点,eWave 还有很多其他的特点:

  • 最大支持200GHz的仿真频率;
  • 有效仿真金属填充及电磁防卫环;
  • 易于描述端口和电源与地平面;
  • 支持导入和导出GDSII格式;
  • 支持32位/64位操作系统,以及 AMD/Intel 处理器,支持多线程并行处理技

4、运行环境和配置

  eWave可支持单核、多核、并行计算,云计算,ubuntu、Linux操作系统。

  推荐的硬件配置为:

  • 操作系统:Lubuntu 10.04及以上版本
    • CPU:主频> 800MHz,与 AMD athlon XP/ Intel core i1性能相当或更优都可;32bit/64bit ;
    • 内存: >1GB;
  • 硬盘:无特殊要求;
  • 网卡:如果只在本地运行,网卡可不需要。

  如果用户想获得多线程的计算能力,则需要CPU为多核。

5、总结

  综合以上描述,eWave 具有如下功能特点:

  • 是基于 MOM算法的3D平面的全波电磁场仿真软件;
  • 广泛应用于解决 RFIC、MMIC、LTCC、元器件设计、平面天线等领域;
  • 多项专利技术保证其是求解平面电路最可靠、精确和有效的工具,是行业的标准;
  • 和Candence的电路设计工具Virtuoso有良好的接口。

 

(二)ePCD无源器件设计和建模工具

1、工具说明

  ePCD是新一代RFIC无源器件的设计和建模平台, 非常适合用来设计和仿真RFIC绕线电感。ePCD提供了简明易用的电感设计界面,可帮助用户对片上螺旋电感、变压器和差分电感进行优化设计。ePCD独有的准静态仿真、等效电路仿真和电磁场仿真求解技术,为RFIC电感提供了前所未有的仿真精度和速度,能够显著缩短设计周期和产品上市时间。ePCD集成到Cadence中,可为客户提供了最为熟悉的设计环境。

ePCD使用场景

2、功能

2.1 片上电感的快速拟合

  通过准静态仿真、等效电路仿真和电磁场仿真三种仿真器,结合深度搜索、共轭梯度等多种局部优化算法和全局遗传优化算法,快速实现RFIC绕线电感的物理参数的生成。

                                                                    ePCD拟合界面

2.2 快速PDK单元生成

可集成到Cadence Virtuoso设计环境中,自动生成一个完整的PDK元器件,包括有:

  • 原理图Schematic;
  • 电路符号Symbol;
  • 版图Layout;
  • 等效模型Simulation model;
  • S参数S-parameter data。

                                                                ePCD集成在Virtuoso环境下

3、精度

  ePCD的准静态仿真引擎为客户提供了精确的综合精度。ePCD的片上电感建模库得到了晶圆厂的背书。根据foundry流片实测的结果,ePCD的片上电感仿真结果与实测结果相比,L的误差低于5%, Q的误差低于10%。

  foundry流片电感

                        

4、速度

  ePCD在综合过程中采用了包括全局和局部的搜索算法在内的多种优化方法。通过算法的优化,使得ePCD可以为用户提供最优的综合结果。此外,ePCD的并行搜索算法,使其综合效率与可使用的CPU数目成正比,大大加速了无源器件的设计过程,完全可以用作全芯片的优化和综合引擎。

5、客户案例

  客户在设计一个射频电路的过程中,遇到了电路的模拟结果无法收敛,且在工作频段发生震荡的状况。然而,在采用了ePCD进行建模仿真以后,由于ePCD优秀的建模能力和对结果具有的正定检测功能,使得用户很快得到稳定的仿真结果,并成功流片。

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