1.3. Условия реализации программы курса
Требования к минимальному материально-техническому обеспечению
Специализированные лаборатории, оснащенные рабочими станциями с ОС Linux ГОУ ВПО «ВГТУ».
Программное и коммуникационное обеспечение – САПР: Cadence IC5.1.4.1, SPB16.x, IUS8.2, SOC6.2.
Общие требования к организации образовательного процесса
Для реализации компетентностного подхода при изучении курса используются контекстные, личностно-ориентированные, проблемно-ориентированные и современные информационные технологии обучения, кроме того, используются обучение на основе опыта, обучение в команде и др.
Для лекционного курса разработаны конспекты лекций, презентации по теме и цифровые образовательные ресурсы. В лабораторном практикуме используются индивидуальные задания и консультации высококвалифицированных специалистов. На практических занятиях слушатели выполняют конкретные задания, обсуждают доклады и рефераты.
Кроме того, в рамках учебного курса предусмотрены семинары с участием ведущих специалистов: ОАО «Концерн «Созвездие», ФГУП «НИИЭТ», ООО «MicroDesign» – дочернего транснационального предприятия «XFAB». Рубежный контроль текущей успеваемости – в виде компьютерного тестирования.
1.4. Контроль и оценка результатов освоения курса
Образовательное учреждение, реализующее подготовку по курсу, обеспечивает организацию и проведение промежуточной аттестации и текущего контроля демонстрируемых обучающимися знаний, умений и навыков. Текущий контроль проводится преподавателем в процессе проведения практических занятий и лабораторных работ, тестирования, а также выполнения обучающимися индивидуальных заданий. Формы и методы текущего контроля по курсу самостоятельно разрабатываются образовательным учреждением и доводятся до сведения обучающихся в начале обучения.
Для текущего контроля образовательными учреждениями создаются фонды оценочных средств (ФОС). ФОС включают в себя педагогические контрольно-измерительные материалы, предназначенные для определения соответствия (или несоответствия) индивидуальных образовательных достижений основным показателям результатов подготовки (табл. 1.2).
Оценка знаний, умений и навыков по результатам текущего контроля производится в соответствии с универсальной шкалой (табл. 1.3).
Таблица 1.2
Раздел (тема) учебной дисциплины |
Результаты (освоенные умения, усвоенные знания) |
Основные показатели результатов подготовки |
Формы и методы контроля |
|||
1 |
2 |
3 |
4 |
|||
1 «Основы аналогового моделирования» |
ПК 8 |
Обоснование схем построения, принципы использования в SiP. |
тест |
|||
2 «Схемотехническое проектирование аналоговых устройств» |
ПК 8 |
Выполнение схемотехнического аналогового моделирования (моделирование по постоянному току, в частотной и временной области) в различных режимах на основе библиотек элементов для схемотехнического моделирования. |
тест |
|||
3 «Топологическое проектирование аналоговых устройств» |
ПК 8 ПК 9 |
Создание топологии аналоговых устройств для 3D изделий. |
тест |
|||
Таблица 1.3
Процент результативности (правильных ответов) |
Качественная оценка индивидуальных образовательных достижений |
|
балл (отметка) |
вербальный аналог |
|
90 ÷ 100 |
5 |
отлично |
80 ÷ 89 |
4 |
хорошо |
70 ÷ 79 |
3 |
удовлетворительно |
менее 70 |
2 |
не удовлетворительно |
2. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
Лекция № 1. Среда проектирования аналоговых устройств. Маршрут проектирования аналоговых устройств Cadence IC. Средства схемотехнического моделирования. Симулятор spectra и ultrasim
Среда проектирования аналоговых устройств
«Cadence» – система автоматизированного проектирования (САПР), которая позволяет в единственной программной оболочке проводить моделирование и разработку интегральных схем (ИС) в едином технологическом базисе.
Классические программы моделирования аналоговых электронных схем, такие как Spice, Spectre и другие, обеспечивают хорошую сходимость решения в большинстве случаев и гарантируют достаточную точность. Однако постоянный рост сложности и объемов проектов БИС привел к увеличению размеров схем до десятков и сотен миллионов узлов. Как следствие, производительность классических программ моделирования, построенных на традиционном подходе составления и решения системы ОДУ с применением методов разреженных матриц, стала явно недостаточной для решения системы уравнений, описывающей всю схему.
В последние годы интенсивно начали развиваться программы моделирования нового поколения, так называемые «быстрые симуляторы». Их применение дает качественный скачок в производительности. Появилась возможность моделировать БИС объемом в десятки и сотни миллионов узлов с точностью и требованиями к вычислительным ресурсам, близкими к традиционным программам моделирования (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Возможности систем моделирования различных поколений
Решение, предлагаемое Cadence на данном сегменте рынка, - платформа Virtuoso и система FastSPICE Ultrasim. Наряду с известными системами моделирования, Ultrasim интегрирован в общую среду разработки Virtuoso и дает возможность быстро получить решение с приемлемой точностью при возрастании сложности проекта на несколько порядков.
Постановка задачи и платформа Сadence Virtuoso как метод решения.
Технические требования к аналоговым, заказным цифровым, радиотехническим и смешанным проектам росли экспоненциально в последнее десятилетие (рис. 2.2). Экономические факторы и конкуренция на рынке электроники вынуждают разработчиков применять новые технологии и объединять прежде независимые блоки на одном кристалле (System-On-Chip, SOC). Многие производители переходят на современные технологии проектирования по нормам 0.13 мкм – 65 нм и совмещают аналоговое проектирование с нанометровыми цифровыми дизайнами. Более того, основой цифрового проектирования является использование библиотек стандартных и специализированных заказных блоков, разрабатываемых с применением средств аналогового моделирования.
Рис. 2.2. Взаимосвязь технологии, сложности и стоимости проекта
В зависимости от сложности и объема решаемых задач, Vittuoso ADE (Analog Design Environment) (рис. 2.3) может интегрировать различные системы аналогового моделирования (Spice, Spectre, UltraSim, Multi-mode Simulation), обепечивать обратную аннотацию паразитных параметров, экстрагируемых с помощью Assura RC, поддерживать кросс-пробинг между схемным вводом (Virtuoso Schematic Editor), топологическим редактором (Virtuoso Layout Editor) и системой анализа результатов моделирования.
Рис. 2.3. Основные компоненты среды проектирования Virtuoso ADE
Платформа Virtuoso может работать с базой данных Cadence CDBA или с базой OpenAccess. С этой платформой возможно быстрое проектирование с высоким выходом годных для геометрий от 1 мкм до 90 нм и менее.
Маршрут моделирования аналоговых устройств
Важную роль при проведении моделирования физических процессов, протекающих в аппаратуре, играет его правильный порядок. Он определяется, с одной стороны, логикой проектирования аппаратуры, а с другой, - взаимосвязью моделей физических процессов между собой.
Порядок проведения тех или иных работ в процессе автоматизированного проектирования регламентируется соответствующими методиками. На рис. 2.4 представлена схема алгоритма методики моделирования РЭС.
Предлагаемая методика включает базовый набор работ, которые необходимо провести при проектировании любой аппаратуры, и, по сути, является типовой. Однако при проектировании конкретных классов РЭС в эту методику могут быть добавлены дополнительные работы, отражающие специфику аппаратуры, или исключены имеющиеся. Может быть изменен и порядок проведения работ, однако, с условием ненарушения взаимосвязи моделей физических процессов.
В предложенной методике взаимосвязь моделей физических процессов отражается в дублировании некоторых работ, например, моделировании электрических процессов и исследовании разбросов. При моделировании электрических процессов и исследовании разбросов в первый раз нам не известны температуры радиоэлементов, поэтому учесть их нет возможности, и они задаются равными 25 0С.
Рис. 2.4. Схема алгоритма методики моделирования РЭС |
Итогом выполнения работ является исследование надежности аппаратуры, которое интегрирует результаты всех работ и позволяет дать оценку качества разработанной схемы и конструкции.
Маршрут проектирования аналоговых устройств
Маршрут проектирования аналоговых устройств заключается в определении состава функциональных модулей, входящих в состав ИМС, на основе требований, определяемых предварительной спецификацией. Как вариант – наиболее часто применяется исследование на уровне архитектуры.
Важное замечание. Формально этот уровень не привязан к технологическому процессу, так как при разбиении алгоритма на реализующие его функции мы можем на первом этапе игнорировать ограничения, накладываемые физической реализацией ИМС.
Исследование архитектуры включает в себя анализ состояния проблемы на сегодняшний день для правильного выбора архитектуры, соответствующей выбранному технологическому процессу. Анализ должен проходить по трем направлениям:
- ИМС, выполняющие такую же функцию (если существуют) и имеющие спецификацию (ТУ);
- перспективные разработки;
- патентные исследования.
Задачи, решаемые этими направлениями (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Алгоритм исследования на уровне архитектуры
Спецификация модулей, полученная с использованием моделирования на системном уровне и исследованием и выбором архитектуры, позволяет разработать схемы модулей, используя тот же подход, что и на системном (функциональном) уровне. Основное отличие – вместо идеализированных представлений модулей необходимо использовать схемотехническое представление элементов интегральной схемы, имеющихся в данном технологическом процессе.
Средства схематехнического моделирования. Симулятор Spectre и Ultrasim
В состав схемотехнического моделирования входят следующие программные средства:
Virtuoso® Spectre® - это современная система аналогового моделирования, использующая прямые методы моделирования на уровне дифференциальных уравнений. Функциональные возможности Spectre и SPICE во многом сходны. Spectre и SPICE в основе используют одни и те же базовые алгоритмы, такие как неявные методы интегрирования, метод Ньютона или матричные методы решения систем уравнений, но реализация алгоритмов в Spectre существенно отличается. Таким образом, Spectre имеет ряд преимуществ по сравнению со SPICE. Среди них:
- способность решать системы большей размерности вследствие более эффективного распределения памяти и более эффективных алгоритмов; более высокая точность как результат применения ряда продвинутых моделей полупроводниковых приборов, среди них BSIM3v3, MOS0, MOS 9, EKV, BTA-HVMOS, BTA-SOI, VBIC95, TOM2, HBT и другие;
- модели сохранения заряда;
- улучшенный анализ Фурье;
- лучший метод контроля погрешности (ошибки округления lte и 1-й закон Кирхгофа);
- адаптивный алгоритм управления шагом интегрирования;
- методы анализа радиотехнических схем (PSS, PAC, PXF, Pnoise, Pdisto, ...);
- смешанное аналого-цифровое моделирование совместно с Verilog-XL – легко моделируются десятки тысяч транзисторов в аналоговой части и десятки тысяч логических элементов в цифровой.
Система моделирования Virtuoso UltraSim - это современная высокоскоростная система, предназначенная для моделирования схем объемом в десятки и сотни миллионов узлов и позволяющая, в том числе, моделировать цифровые БИС на аналоговом уровне с учетом экстрагированных паразитных RC параметров.
Основные характеристики системы моделирования UltraSim:
- эффективные алгоритмы моделирования для технологии pre- и post-layout, для аналогового и смешанного моделирования устройств памяти и цифровых схем с точностью, близкой к SPICE, со значительным ускорением по сравнению со SPICE и практически неограниченными объемами для иерархических проектов;
- поддерживаются форматы Spectre и HSPICE, язык Verilog-A, форматы postlayout - detailed standard parasitic format (DSPF), standard parasitic exchange format (SPEF), а также язык Verilog®;
- поддержка формата digital vector file, Verilog® форматы - value change dump (VCD) и extended VCD (EVCD);
- форматы SignalScan Turbo 2 (SST2), fast signal database (FSDB), parameter storage format (PSF) и семейство форматов для сохранения согналов WDF;
- продвинутые алгоритмы RC-редукции для моделирования post-layout;
- поддержка всех основных моделей транзисторов Spectre и HSPICE, включая BSIM3, BSIM4, BSIMSOI, TFT, HVMOS, BJT, Mextram, Hicum, VBIC и модель ячеек памяти flash;
- проверки времени установления и удержания, времени нарастания и спада, а также ширины импульса;
- анализ мощности на уровне элемента, подсхемы и всего кристалла;
- проверки на уровнях проекта и приборов, в том числе проверка напряжений на приборе, высокоимпедансный анализ узлов, анализ утечек по постоянному току и подробные проверки токов;
- аналих шума, отслеживающий эффекты voltage overshoot (VO) и voltage undershoot (VU) в узлах;
- моделирование IR drop;
- быстрый анализ по огибающей для высокопроизводительного анализа переходных процессов в радиотехнических схемах;
- анализ надежности, в том числе hot carrier degradation (HCI), negative bias temperature instability (NBTI), моделирование старения, совместимость с командами Virtuoso RelXpert;
- С-интерфейс для макромоделирования UCI для реализации аналоговых или цифровых макромоделей, например PLL, блоков памяти, ADC/DAС;
- интерфейс для расчета надежности URI для реализации специфических моделей надежности;
- интерфейс UWI для разработки специальных форматов выходных данных;
- Математический аппарат UltraSim используется со следующими инструментами Cadence:
- AMSUltra для Verilog/VHDL - совместного моделирования с NCSIM;
- UltraSimVerilog для смешанного аналого-цифрового моделирования с VerilogXL;
- аналоговая опция VoltageStorm (VAVO) для анализа цепей питания аналоговых и смешанных схем;
- аналоговая опция ElectronStorm (VAEO) для анализа электромиграции аналоговых и смешанных схем;
- VoltageStorm для анализа цепей питания цифровых схем и анализа всего дизайна.