3. Анализ переходных процессов

Это самый распространенный тип анализа в моделировании цифровых схем. Анализ переходных процессов моделирует операции схемы с течени­ем времени. Он является идеальным инструментом для определения таких параметров переходных процессов, как задержка распространения, время на­растания и спада, рассеиваемая мощность. Анализ инициируется с помощью следующей строки:

.TRAN lps 250ps

В данном случае задано время моделирования (250 пс) и указано, как ча­сто нужно записывать данные (каждую пикосекунду). Последняя величина не связана прямо с моментами времени, используемыми пакетом для расче­тов, — пакет определяет их, исходя из сложности схемы.

SPICE (или эквивалентный пакет) предлагает множество дополнитель­ных инструментов, позволяющих получать необходимую информацию [1].

Решение уравнений в различных пакетах выполняется по похожим алгорит­мам, но большее влияние на ценность пакета оказывают устойчивость, эф­фективность и точность моделей устройств. Например, досконально разра­ботанные очень точные модели могут оказаться абсолютно бесполезными из-за плохой сходимости. Сложность поведения короткоканального МОП-транзистора и присущее ему множество паразитных эффектов привело к раз­работке большого набора моделей, характеризующихся различной степенью точности и вычислительной эффективности.

Осознав это, компании-производители полупроводниковых структур ре­шили выпускать собственные модели своих транзисторов. В результате по­явилась масса моделей, объективно судить о качестве которых было за­труднительно (разумеется, каждая компания заявляла, что именно ее мо­дель — самая лучшая). Подобная ситуация была неудобна и для потреби­телей, которым было довольно сложно разобраться в мешанине процессов и производителей. К счастью, ситуация кардинально изменилась после раз­работки в Калифорнийском университете в Беркли модели BSIM (Berkeley Short-Channel IGFET Model — Берклиевская модель короткоканального по­левого транзистора с изолированным затвором). Через некоторое время мо­дель BSIM3v3 была принята в качестве промышленного стандарта и теперь широко используется всеми производителями полупроводниковых структур. В 2000 году была выпущена более полная модель BSIM4. Кроме того, су­ществуют модели BSIM, учитывающие альтернативные процессы, например SOI (BSIMSOI).

Неопытные дизайнеры часто обладают почти фанатичной верой в ре­зультаты моделирования. В частности, нередко можно увидеть дизайнера, оптимизирующего задержки распространения схем КМОП в субпикосекундном диапазоне. Тем не менее, следует помнить, что результат моделирования может отклоняться от реального результата из-за наличия множества ис­точников ошибок: неточностей в моделях устройств, отклонений параметров устройств от заданных значений, паразитных сопротивлений и емкостей. Ре­альное и предсказанное поведение схемы может отличаться из-за изменения хода процессов вследствие изменений температуры. Таким образом, дизайне­ры должны проводить четкую границу между проектными ограничениями и результатами моделирования. "Ширина" этой границы зависит от усилий, затраченных на моделирование, — насколько точными и тщательно разрабо­танными являются модели устройства, насколько точно описаны паразитные нагрузки. Как правило, нормальным считается допуск до 10%.

Хотя для разработчика цифровых схем моделирование достаточно дол­го было любимой рабочей лошадкой, с появлением больших схем оно ста­ло непрактичным из-за вычислительной сложности. Следовательно, в на­стоящее время оно используется преимущественно для анализа критических участков структур. Для общего анализа применяются пакеты моделирования более высокого уровня. Эти пакеты жертвуют быстродействием в пользу точ­ности или абстракции.