在过去20年,电子设计自动化(EDA)发展的结果是设计的每个部分已经变成单独的行为。通常,电子设计和分析与在IC、封装/模块及PCB层次的物理实现是分离的。EDA供应商已经为不同的设计阶段开发了各种封闭的方法学和工具套件,这要求用户以手动方式进行设计交接,从而容易导致多次反复循环以及代价高昂的错误或延时。
但当今复杂的新技术正在桥接这些传统的领域,而传统设计方法在精度、效率及成本等方面暴露出不足。为了确保在IC、封装、模块及PCB设计阶段之间实现完全的设计收敛,我们需要一种全新的EDA方法。
设计一个高频无线产品通常会涉及以下几个设计领域或阶段:
架构和系统设计:无线产品在系统级采用架构或行为器件进行建模和验证。首先,设计师对系统的整体功能和性能(包括数据吞吐量、信道干扰及功耗等)进行仿真、优化和验证。然后,再定义对单个器件的要求和规范,并传递给电路设计阶段。在这个阶段,通常还要就最终产品的封装做出决策,如在层衬底或PCB上的多芯片模块等。
电路设计:设计师在晶体管级(用于定制数字、模拟和射频电路)或门级(用于数字控制电路)设计单个器件,然后进行仿真与验证。从理论上讲,系统级规范应该被用作测试基准来验证器件性能,并将之与整个系统的需求进行比较。
IC物理实现:根据原始系统需求和所选架构,单元电路被布置在一个或多个IC上。然后,布局(包括器件和互连寄生参数等)被提取和验证,以确保最终的性能以及器件的可制造性。从理论上讲,此时应该考虑物理IC封装(即引脚、焊线及片上焊盘等)所产生的寄生效应。
模块/PCB物理实现:与其它片外无源器件(如电阻、电容及电感等)一道,IC被安装在模块封装或板上,并被互连。理想地,整个模块或电路板应该采用模块/PCB互连来重新检查,以验证最终的系统性能。设计师还应提取、建模、仿真和验证通过内部IC电路、IC焊盘、焊线或走线以及封装引脚直到模块及板走线的关键信号路径,以确保这些路径不会给整个系统造成性能瓶颈。
为了说明复杂的信号完整性问题,我们以802.11a WLAN收发器模块设计为例。完整的802.11a收发器设计包括几个主要部分:发射器电路链包括正交频分复用(OFDM)发射模块、上变频混频器、带相位噪声特征的本振以及发射功放等；接收器电路包括低噪声接收放大器、下变频混频器、信号定标器、自动增益控制(AGC)电路、OFDM接收模块以及分解器等；系统要求具有54Mbps的完整调制信号以及完全遵循802.11a 规范的64-QAM信号发生器；设计师还要对信道损耗建模。
首先,设计师在系统级对整个802.11a收发器RF链(包括信道及信道损耗)进行建模和仿真,然后再分别设计每个电路模块,并进行仿真。下一步,设计师对经过验证的电路模块进行物理布局,即布置单个器件,并完成互连走线。布局后的模块将被组装成整个RFIC,并进行验证。最后,设计师采用RFIC和多个片外无源器件完成模块设计。
今天,高性能产品设计团队所面临的挑战是:所有这些设计阶段因为采用不同的EDA设计和分析环境以及互不兼容的数据库而彼此独立；另外,这些设计阶段采用的工具和模型并不适合于GHz频率设计。当信号路径跨越芯片、封装及模块/板边界时,许多高频电路的信号衰减和信号完整性问题,如延时、噪声、失真及阻抗不匹配等,都被忽略了。独立的EDA环境和数据库使设计者无法在设计阶段的早期分析信号完整性问题,而那时是最关键的时刻。
信号走线的物理结构开始于芯片焊盘,经过焊线,到达封装内的金属走线,再通过封装的球栅网格到达模块表面。信号继续穿过不同层模块上的几条互连走线,最后终止于另一个芯片的引脚。
由于不一致的环境和较差的建模与提取能力,设计师很难有效地协同仿真和分析在IC级与模块/板级物理实现阶段之间的信号路径。此外,芯片与封装物理设计工具/流程之间缺乏联系,这意味着设计师会因为对接口了解不够而导致重复工作和更长的延迟。无法在各个物理实现阶段之间实现完整的设计收敛可能会导致设计反复的增加,并延迟产品的上市时间。
增加芯片封装内及模块内信号完整性问题解决难度的因素还包括在芯片、封装及模块实现级的设计/分析工具需求；当前描述底层物理结构的EDA数据类型,以及必须支持的工艺技术。没有哪一种主流EDA解决方案设计用于支持各种不同的需求。
为了解决将存在于下一代高性能、高频产品设计中的跨领域的复杂信号完整性问题,我们需要一种新型的、高度集成的芯片-封装-模块EDA解决方案。即使对于单个封装芯片而言,新型EDA解决方案也需要从头设计以涵盖所有设计领域。
为了获得最佳的设计收敛,解决方案应该构建在统一的数据模型和涵盖所有领域的设计环境上。数据模型必须考虑高频因素,并允许对所有设计元素,包括有源/无源器件以及高频互连等,进行精确的提取与建模。新的解决方案还必须构建在开放、标准的软件平台上,容易集成功能最强大、最先进的工具,以捕获、综合、仿真、布局、提取和验证所有领域的设计。
作者:James Spoto
总裁兼CEO
Tom Quan
产品管理副总裁
Applied Wave Research公司
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