2.2 Подсистемы сапр, решающие отдельные задачи проектирования

Крупные САПР решают практически все задачи, встречающиеся при проектировании большинства классов электронной аппаратуры, но многие мелкие фирмы разрабатывают прекрасные программные средства для решения более узких задач, которые либо не рассматриваются в крупных САПР вообще, либо решаются менее эффективно. К таким программным средствам можно отнести, например, решения фирм OrCAD (средства графического схемного ввода проектов, средства логического моделирования), DATA I/O (средства ввода проектов на языках описания аппаратуры и с помощью графических схемных редакторов), MINC/IST (средства логического синтеза), ALDEC (средства ввода проектов, логические симуляторы), Synplicity (синтез схем ПЛИС). Среди САПР, о которых идет речь, можно отметить, в первую очередь, схемные симуляторы на основе пакета SPICE, программы фирм ACCEL (этот пакет встроен, например, в САПР P-CAD), ALDEC, OrCAD и др. На рынке средств синтеза ПЛИС заметную роль играет и один из лидеров разработки общецелевых САПР фирма Synopsys; ее средствами синтеза схем (на основе пакета FPGA Express) в настоящее время снабжены практически все САПР ПЛИС лидеров рынка в этой области (Xilinx, Altera и др.). В качестве верхних уровней проектирования (ввод проекта с помощью графических схемных редакторов или на языке описания аппаратуры VHDL/Verilog, логический синтез и логическое моделирование) долгие годы в качестве основного пакета (в САПР фирмы Xilinx и ряде САПР других фирм-производителей кристаллов) использовалось программное обеспечение САПР фирмы ViewLogic (сейчас эта фирма называется Innoveda). Но и после разработки фирмой Xilinx своих собственных средств верхнего уровня многие разработчики ПЛИС продолжают (и предпочитают) работать при проектировании ПЛИС со средствами САПР ViewLogic. Особое место среди программных средств, решающих конкретные задачи проектирования, занимают пакеты схемотехнического моделирования (моделирования на уровне транзисторов), или так называемые Spice-подобные симуляторы.

2.2.1 Spice-подобные схемные симуляторы

Абсолютное большинство симуляторов данного типа являются продуктом развития пакета SPICE, ставшего мировым стандартом на пакеты схемотехнического моделирования.

Пакет был разработан около 30 лет назад университетом штата Южная Калифорния в Беркли, и тогда же более десятка фирм купили лицензии на развитие программ схемотехнического моделирования на основе пакета SPICE. За эти годы пакеты схемотехнического моделирования бурно развивались, но при этом оставался постоянным язык описания задания – список цепей (netlist) формата SPICE. В настоящее время на мировом рынке присутствует большое количество фирм, предлагающих пакеты схемотехнического проектирования. Различие между представляемыми программами заключается в реализованных в них методах расчета, а также в многообразии видов анализа. Дадим краткий обзор существующих пакетов СхТП и их сравнительную характеристику.

Пакет Accusim ( Mentor Graphics)

Эта программа сегодня представляет собой гибкие и мощные алгоритмы моделирования, применяемые как для высокоточного моделирования ИС, так и для проектирования печатных плат. Для поведенческого и функционального моделирования используется собственный HDLA – язык аналогового поведенческого описания моделей, который основывается на синтаксисе индустриального стандарта VHDL. Для качественного описания схемы при моделировании пользователь может выбрать точные модели ИС и дискретных компонентов из нескольких библиотек. Для удовлетворения требований к моделированию и его точности AccuSim II предлагает значительный набор встроенных MOS моделей компонентов, включая модели многих индустриальных стандартов, (BSIM1, BSIM2, BSIM3 и ряд других). После моделирования возможности графического постпроцессора позволяют в простой форме просмотреть и оценить поведение исследуемой схемы. Для полной реализации проекта на системном уровне пакет позволяет промоделировать объект, состоящий не только из электрических компонентов, но и компонентов электромеханической и неэлектрической природы. При использовании пакета AccuSimII применяется подход проектирования «сверху вниз» для аналоговых и смешанных систем. Программа позволяет моделировать коммерческие ИС, содержащие более 100 000 транзисторов.

Пакет Aim-Spice

Пакет AIM-Spice (Automatic Integrated Circuit Modeling Spice), как и большинство других подобных пакетов, основывается на более ранней версии популярного схемного симулятора SPICE. За основу принята версия Berkeley SPICE 3.E1. Пакет состоит из двух программ, работающих под операционной системой Windows – непосредственно моделирующей программы и графического постпроцессора. Программа предназначена для моделирования широкого спектра устройств как аналоговых, цифровых, так и смешанных.

Пакеты Spectre и Analog Workbench (Cadence Design Systems)

Фирма Cadence предлагает два пакета схемотехнического моделирования. Пакет Spectre использует те же самые алгоритмы, что и SPICE: точные методы численного интегрирования, итерации Ньютона-Рафсона и точные матричные решения. В программе применяются современные технологии для работы с разреженными матрицами и узловые алгоритмы, что позволяет моделировать очень большие схемы (более 50 000 транзисторов). Программа написана на языке Си. Каждый алгоритм разрабатывается с использованием последних алгоритмических технологий, что позволяет сократить временные затраты на проведение моделирования (например, используется оптимизация программного кода, описывающего модели, решения по повышению сходимости решаемых уравнений).

Основные особенности программы Spectre:

- моделирование схем с более чем 50000 транзисторов;

- высокая скорость моделирования;

- значительное усовершенствование характеристики сходимости;

- высокая точность моделирования;

- поддержка всех типов входных файлов и видов анализа, что и у Berkeley SPICE;

- мощный механизм задания моделей пользователем;

- осуществление поддержки больших смешанных проектов.

Пакет Analog Workbench является инструментом для автоматизации проектирования аналоговых и смешанных аналогово-цифровых схем и систем. В этом пакете Cadence предлагает законченную систему автоматизированного проектирования со сквозным маршрутом для аналоговых и смешанных устройств. Analog Workbench обеспечивает ввод схемы и проведение моделирования. Высокоуровневое проектирование сводится к построению диаграмм. Здесь определяются спецификации каждого из блоков и секций системы. При проектировании схем предлагается учитывать целый комплекс воздействующих факторов и ограничений: температурное воздействие, допуски на компоненты и проходящие процессы, взаимодействие сигналов между аналоговой и цифровой частями, процесс старения и т.д.

Analog Workbench предлагает удобное средство моделирования схем с высокой точностью и многообразием видов анализа. Для реализации задач физического проектирования аналоговой электроники (аналоговые проекты имеют различные физические требования, касающиеся технологий корпусирования и топологий схемы) предусмотрены средства взаимодействия Analog Workbench с интегрированной системой Allegro. Поведенческое описание при моделировании с помощью пакета Analog Workbench, включая средства формирования входных воздействий и сигналов, осуществляется на языке HDL. Предусмотрена возможность моделирования оптических, механических и гидравлических элементов, входящих в состав устройства. Алгоритмы базовых видов анализа основаны на алгоритмах Berkeley SPICE3. Высокая точность моделирования достигается за счет использования точных моделей компонентов. На библиотеку компонентов Cadence, которая содержит более 4600 моделей, установлен промышленный стандарт. В библиотеке содержатся модели элементов для мощной электроники, цифровые компоненты, аналоговые ИС, а также сложные модели компонентов (system-on-a-chip).

Пакет Electronics Workbench (Interactive Image Technologies Ltd.)

Фирма Interactive Image Technologies разрабатывает и реализует интерактивное программное обеспечение для автоматизированного проектирования электронных устройств. Electronics Workbench - это мощный программный продукт, который включает в себя схемный редактор (средство ввода схем) и инструмент моделирования аналоговых, цифровых и смешанных устройств. Моделирование программой Electronics Workbench основано на передовой технологии – индустриальном стандарте Berkeley SPICE 3, который делает процесс проектирования более простым и эффективным. Пакет обеспечивает выполнение моделирования в несколько раз быстрее по сравнению с предыдущими версиями, в нем реализованы 14 видов анализа схем, которые позволяют более обширно исследовать поведение проекта. Программа ориентирована на работу в интерактивном режиме, что позволяет немедленно реагировать на изменения в проекте и вносить различные изменения в схему. При моделировании смешанных схем проект разделяется на две части: аналоговую и цифровую. Аналоговая схема моделируется по шагам во временной области, в то время как цифровые части моделируются раздельно на основе метода событийного анализа. Поскольку симулятор может автоматически выполнять преобразование сигналов, то можно подсоединять аналоговую и цифровую части друг к другу. Кроме того, библиотека системных моделей содержит гибридные элементы для AtoD или DtoA преобразований. Предлагается также дополнительный набор приложений, который расширяет функциональные возможности Electronics Workbench при проектировании. Сюда можно отнести программу EWB Layout – средство, которое автоматизирует процесс размещения компонентов на плате, программу MEP – пакет расширения моделей, который увеличивает гибкость Electronics Workbench при добавлении моделей новых устройств. В пакете MEP присутствуют два типа моделей: новые семейства, не встречавшиеся ранее, и доработанные, предыдущие модели. Electronics Workbench использует свыше 100 аналоговых компонентов, более 200 цифровых компонентов и ИС, ему доступно 8000 моделей устройств.

Пакет SABER (Analogy Inc.)

Один из самых мощных пакетов схемотехнического и многоуровневого моделирования. Пакет включает собственную разработку – SABER-симулятор, работающий с библиотекой емкостью более 8000 моделей компонентов. Используются следующие виды устройств:

- смешанные ИС;

- дискретные полупроводники;

- пассивные устройства;

- мощные полупроводники;

- электро-термические устройства;

- электро-гидравлические устройства;

- электро-механические устройства;

- электро-оптические устройства.

Пакет T-Spice (Tanner Research)

Фирмой Tanner Research предлагается пакет T-Spice Pro, который является мощным схемным симулятором для выполнения быстрого и точного моделирования аналоговых и аналого-цифровых ИС. Этот инструмент включает следующий набор программ:

-S-Edit – схемный редактор;

-T-Spice – средство моделирования схем;

-W-Edit – средство просмотра сигналов.

Пакет предназначен для проектирования:

- аналоговых схем;

- цифровых схем;

- смешанных схем;

- радиосигнальных устройств, оперирующих сложными сигналами.

Схемный симулятор T-Spice содержит BSIMv3.1 MOSFET модели, последние версии моделей Berkeley BSIM3. К новым MOSFET моделям добавлена поддержка GaAs ИС. В пакете используются последние данные о характеристиках реальных устройств, полученные у производителей кремниевых кристаллов, что обеспечивает точные результаты моделирования. Для устройств, которые не имеют моделей в стандартных библиотеках, пользователь может создать свои внешние модели с использованием соответствующего интерфейса. Написанная на языке Си, внешняя модель может быть промоделирована с использованием встроенного интерпретатора или скомпилирована в динамически связанную библиотеку (DLL). Этот интерфейс позволяет пользователю описывать модели компонентов на различных уровнях: функциональном и поведенческом.

T-Spice использует современную (так называемую матричную) цифровую технологию для достижения максимальной сходимости схем, что часто является невозможным в других пакетах. Применение матричной технологии моделирования повышает скорость расчета. Компромисс между быстродействием и точностью обеспечивается с использованием таблиц низкого разрешения для цифровых устройств и точной модельной оценки для аналоговых. К стандартному методу анализа переходных процессов добавлен механизм релаксации сигнала как вариант для моделирования больших схем.

Пакет SmartSpice (SILVACO International)

Пакет SmartSpice предназначен для моделирования аналоговых схем. Пакет совместим с уже хорошо зарекомендовавшими себя программами PSpice и Berkeley Spice. В реализации пакета фирма Silvaco осуществляет поддержку библиотеки Berkeley BSIMv3.1.и предлагает высококачественные и наилучшим образом выверенные физические MOSFET модели. При этом обеспечивает поддержку двух типов библиотек: собственных дискретных компонентов (Silvaco Discrete Device Library, SDDL), куда входят более 7500 выверенных моделей, и коллекцию моделей ведущих производителей, таких как Motorola, NEC и других.

Кроме того, пакет позволяет пользователю получать собственные модели компонентов.

Модуль SmartSpice Verilog-A, основанный на использовании стандарта языка Verilog-A, предлагает простейший метод описания на поведенческом уровне моделей компонентов со смешанной природой процессов (например, могут быть описаны электротермические или сенсорные модели). Внешние модели пишутся на языке Си и интерпретируются встроенным компилятором. Это удобное средство позволяет, при необходимости, контролировать функционирование и ресурсы системы.

Пакет Star-Hspice (Avant! Corp.)

Новый пакет фирмы является индустриальным стандартом для точного моделирования. Используется для моделирования цифровых, аналоговых и смешанных схем. Star-Hspice обладает рядом преимуществ, среди которых:

- модель многоемкостной трансмиссионной линии потерь. Ее модели-рование основано на современных методах, которые не устанавливают ограничения на число спаренных емкостей;

- новые источники цифровых сигналов, которые воспринимают цифровые векторы при моделировании как входы;

- новые пошаговые алгоритмы, повышающие точность моделирования и скорость схождения;

- возможность вычисления рассеянной или остаточной энергии для каждого пассивного элемента и источников. Основываясь на этой информации, пакет позволяет получить мощность каждой подсхемы в иерархическом проекте, а также соответствия напряжений и токов различным ножкам (выходам) устройства.

Информационные источники, использованные при подготовке раздела: