Spectre X RF在大規(guī)模RFIC設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

郭錫韌 ，曾 義

（1.深圳市中興微電子技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518055；2.上?？请娮涌萍加邢薰荆虾?200120）

0 引言

隨著模擬電路復(fù)雜性增大以及工藝尺寸不斷減小，寄生規(guī)模不斷增大。模擬下變頻電路是通信鏈路中的接收機(jī)模塊的重要電路模塊，其中包含的射頻前端電路，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，代入后仿寄生參數(shù)后，還需要進(jìn)行多次RF 仿真。仿真速度對(duì)設(shè)計(jì)影響較大，另一方面，受限于服務(wù)器性能限制，無(wú)法滿足部分大規(guī)模小尺寸模擬射頻電路內(nèi)存需求。

Spectre X RF 仿真器是Cadence 于2020 年推出的新一代仿真器，能提升仿真速度、優(yōu)化內(nèi)存，能有效解決目前射頻前端RF 仿真中仿真速度過(guò)慢、服務(wù)器性能需求過(guò)高的問(wèn)題。

在應(yīng)用Spectre X RF 之前，需對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，本文在三個(gè)主流工藝下，在模擬下變頻模塊中，對(duì)比Spectre APS RF 和Spectre X RF的精度、內(nèi)存和速度。

1 模擬下變頻電路

模擬下變頻電路是通信系統(tǒng)中接收機(jī)模塊中的重要模塊，如圖1 所示，本文中使用的模擬下變頻電路包括射頻前端以及后端中頻模塊，主要包括混頻器、放大器、濾波器等結(jié)構(gòu)。

圖1 模擬下變頻模塊結(jié)構(gòu)圖

LO 信號(hào)為方波信號(hào)，在hb 仿真過(guò)程中，為了得到符合設(shè)計(jì)需求的精度，通常需要設(shè)置比較大的諧波數(shù)，導(dǎo)致速度過(guò)慢、內(nèi)存需求過(guò)大。

隨著電路性能需求的提升，模擬下變頻電路規(guī)模不斷增大，仿真器的精度和性能需求也隨之提升。

OIP3（Output third Intercept Point）為射頻電路系統(tǒng)中衡量線性度的重要指標(biāo)。常規(guī)射頻系統(tǒng)仿真中，得到OIP3有兩種方法：hb+hbac，小信號(hào)輸入，hbac 使用Rapid IP3模式；hb，LO 信號(hào)與雙音信號(hào)交調(diào)。

本文利用OIP3 進(jìn)行精度分析，在不同工藝中分別使用了兩種常用仿真形式中的一種。

2 Spectre X RF

Spectre X RF 仿真器是Cadence 于2020 年推出的新一代仿真器，目的是解決使用Spectre APS 對(duì)大寄生射頻電路仿真中內(nèi)存過(guò)高、速度慢的問(wèn)題。理論上與Spectre APS RF 精度相當(dāng)，速度提高2～3 倍，內(nèi)存減小。

Spectre X RF的使用模式與Spectre X 一致，對(duì)比Spectre APS的使用模式，Spectre X RF/X 更為簡(jiǎn)單，圖2 為其不同模式的簡(jiǎn)要說(shuō)明。對(duì)于一般的模擬射頻電路，Cadence推薦使用Cx/Ax/Mx。本文使用了Cx、Ax、Mx 三種模式，APS RF 相應(yīng)的模式為Conservatice/Moderate 和+postlayout=hpa/upa。

圖2 Spectre X RF 使用模式說(shuō)明

3 仿真結(jié)果

本文對(duì)比了TSMC 28 nm、SMIC 14 nm、TSMC 7 nm三種工藝中的Spectre X RF 與Spectre APS RF的速度、內(nèi)存以及實(shí)際需求中性能參數(shù)的仿真精度。三種工藝中均使用接收機(jī)射頻前端，即模擬下變頻電路。

3.1 TSMC 28 nm

TSMC 28 nm工藝環(huán)境中，仿真使用的電路規(guī)模為1.971M N，103k bsim 4，5.616M C，2.573M R。Spectre APS RF 與Spectre X RF 均使用了16 線程。

對(duì)TSMC 28 nm工藝的模擬下變頻電路做了hb+hbac仿真，hb 仿真中，為滿足精度需求，LO 信號(hào)的諧波數(shù)與過(guò)采樣因子分別設(shè)為15 與2，hbac 使用Rapid IP3 模式。APS+Conservative+UPA 仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 TSMC 28 nm hbac Rapid IP3 仿真結(jié)果

TSMC 28 nm工藝中，Spectre APS RF 與Spectre X RF 仿真性能對(duì)比如表1 所示，其中，Spectre APS RF 使用Conservative、Moderate 兩種精度，內(nèi)存優(yōu)化選擇UPA（Ultra Precision Analog）與HPA（High Precision Analog）；Spectre X RF使用CX、AX、MX 三種模式。精度為OIP3 相對(duì)于Conservative+UPA OIP3 偏差值。

表1 TSMC 28 nm工藝仿真對(duì)比

從表中可看出，在TSMC 28 nm工藝中，Spectre X RF 對(duì)內(nèi)存優(yōu)化不太明顯，僅在UPA 內(nèi)存優(yōu)化模式中，內(nèi)存相對(duì)較大，運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。具體內(nèi)存優(yōu)化與運(yùn)行時(shí)間優(yōu)化如表5 所示。

以APS RF Conservative+UPA 作為標(biāo)準(zhǔn)，精度最低為Spectre X RF+MX，為98.87%，在射頻電路系統(tǒng)中，為可接受的誤差值。

以APS RF Conservative+UPA 運(yùn)行時(shí)間為基準(zhǔn)，Spectre X RF 整體提速約7 倍，以常用的Convervative+HPA 為基準(zhǔn)，整體提速約2 倍多。

3.2 SMIC 14 nm

SMIC 14 nm工藝環(huán)境中，仿真使用的電路規(guī)模為0.388M N，82k bsimcmg，0.639 M C，1.03 M R。Spectre APS RF 與Spectre X RF 均使用了16 線程。

此工藝中使用了hb LO 信號(hào)與雙音信號(hào)交調(diào)方式仿真OIP3，輸入信號(hào)為頻率相差1 MHz的雙音信號(hào)，LO信號(hào)的諧波數(shù)與過(guò)采樣因子為15 與2，雙音信號(hào)的諧波數(shù)與過(guò)采樣因子均為5 與1，各模式的時(shí)域輸出波形如圖4 所示。

圖4 SMIC 14 nm 時(shí)域輸出波形對(duì)比

各模式的頻域輸出波形如圖5 所示。

圖5 SMIC 14 nm 頻域輸出波形對(duì)比

SMIC 14 nm工藝中，Spectre APS RF 與Spectre X RF仿真性能對(duì)比如表2 所示，各仿真器使用模式與TSMC 28 nm 一致。

表2 SMIC 14 nm工藝仿真對(duì)比

在SMIC 14 nm工藝中，Spectre X RF 內(nèi)存優(yōu)化不太理想，運(yùn)行時(shí)間有一定的優(yōu)化，但未達(dá)到理論預(yù)期。

以Conservative+UPA 作為標(biāo)準(zhǔn)，精度最低為Spectre X RF+MX，為98.40%，在射頻電路系統(tǒng)中，為可接受的誤差值。

Cadence 研發(fā)已經(jīng)在對(duì)該電路進(jìn)行調(diào)查研究。

3.3 TSMC 7 nm

TSMC 7 nm工藝環(huán)境中，仿真使用的電路規(guī)模為994k N，33k bsource_rhim，50k tmibsimcmg，1.4M C，3.761M R。Spectre APS RF 與Spectre X RF 均使用了16 線程。

此工藝中使用了hb LO 信號(hào)與雙音信號(hào)交調(diào)方式仿真OIP3，輸入信號(hào)為頻率相差1 MHz的雙音信號(hào)，LO信號(hào)的諧波數(shù)與過(guò)采樣因子為15 與2。

在仿真前的內(nèi)存預(yù)估過(guò)程中，Spectre APS RF 預(yù)計(jì)使用內(nèi)存如表3 所示。仿真使用服務(wù)器僅有1.4 TB 內(nèi)存，無(wú)法滿足內(nèi)存使用需求。

表3 TSMC 7 nm Spectre APS RF 內(nèi)存預(yù)估

Spectre APS RF 中打開(kāi)lowmems開(kāi)關(guān)，Conservative+HPA 內(nèi)存減小至1.2 TB。

Spectre X RF的內(nèi)存預(yù)估在服務(wù)器性能范圍內(nèi)，最終使用Spectre X RF 與Spectre APS RF 對(duì)電路進(jìn)行了仿真。圖6 與圖7 分別為TSMC 7 nm工藝中各仿真模式輸出端時(shí)域與頻域的波形對(duì)比。TSMC 7 nm工藝仿真對(duì)比如表4 所示。

圖6 TSMC 7 nm 時(shí)域輸出波形對(duì)比

圖7 TSMC 7 nm 頻域輸出波形對(duì)比

表4 TSMC 7 nm工藝仿真對(duì)比

TSMC 7 nm工藝環(huán)境中，Spectre X RF 內(nèi)存優(yōu)化、運(yùn)行時(shí)間優(yōu)化均高于預(yù)期，對(duì)比于降低內(nèi)存的APS+Conservative+HPA OIP3 精度保持很好，且提速約4 倍，符合實(shí)際項(xiàng)目需求。如果Spectre X RF 也打開(kāi)lowmem options，運(yùn)行時(shí)間和內(nèi)存使用應(yīng)當(dāng)還能進(jìn)一步降低。

具體內(nèi)存優(yōu)化與運(yùn)行時(shí)間優(yōu)化如表5 所示。

表5 各工藝仿真對(duì)比總結(jié)

4 結(jié)論

Spectre X RF 作為Cadence 推出的新一代RF 仿真器，默認(rèn)使用方式相比于APS RF，更為簡(jiǎn)單，從而使得電路工程師能更多的聚焦于電路設(shè)計(jì)。

應(yīng)用于本文的模擬下變頻電路的仿真中，在TSMC 28 nm、SMIC 14 nm、TSMC 7 nm工藝環(huán)境中，內(nèi)存與運(yùn)行時(shí)間均有一定的優(yōu)化。在小工藝TSMC 7 nm工藝中，內(nèi)存與運(yùn)行時(shí)間優(yōu)化遠(yuǎn)超預(yù)期。

Spectre X RF 還存在改進(jìn)空間。另外，Spectre X RF支持的distributed HB 分析對(duì)大內(nèi)存需求的multi-tone HB 仿真幫助很大，但因?yàn)闀r(shí)間以及其他原因，本文沒(méi)有進(jìn)行太多的調(diào)查研究。