Virtuoso Meets Maxwell: 精度を満足させるための階層的な電磁界モデリング

12 Jan 2021 • Less than one minute read

'Virtuoso Meets Maxwell' はVirtuoso RFソリューションとVirtuoso MultiTechの機能及びその潜在能力の紹介を目的としたブログの連載です。ではどのようにVirtuosoがMaxwellと出会うのでしょうか。現在、VirtuosoプラットフォームはRF設計をサポートしており、RF設計者は物理的な放射の影響をマクスウェルの方程式で測ります。この連載では、有益なソフトウェアの改善点にスポットを当てて解説するだけでなく、VirtuosoのIC-パッケージ設計環境内の様々なツールの知識や経験についてRF、マイクロ波、及び高周波設計の視点から様々なブロガーや専門家の声をお届けします。月曜日に投稿されますのでチェックしてみてください。

5G、車載、IoTの様な急拡大するマーケットは、先端の半導体技術及び集積回路の開発ドライバーになっています。特に高カットオフ周波数の先端CMOSやシリコンーゲルマニウム(SiGe)バイポーラデバイスは、比較的廉価なマスクコストで高い高周波性能と高い集積性を持つミリ波回路の統合を可能にします。

寄生抽出 vs. 電磁解析

アナログやRFICは各アプリケーションのハードウェア基盤を構築し、またそれらは様々な配線や受動素子を含んでいます。高周波領域では、それらの配置による寄生効果が回路性能に大きな影響を与え、それ故正確にモデル化される必要があります。

全てのレイアウト構造を充分な精度で且つ短い実行時間でシミュレーションするには、複数の電磁界(EM)抽出技術が必要になります。短い配線で構成される複雑なネットワークには、寄生抽出に準静的技術を用いたモデリングが最適です。他方、スパイラル・インダクタやトランスフォーマ等、電気的に長い構造やオンチップの受動素子には、フルウェーブの挙動を捉えるための3DEMシミュレーションが必要になります。

Virtuoso RF Solutionを使用することで、RFIC設計者は要求仕様を満たすために、様々なEMシミュレーションを利用することが可能です。

トランジスタレベル寄生抽出ソリューション

電気的に短いネットは、従来からマックスウェル方程式を準静的に近似して寄生成分を抽出し、ディスクリートな抵抗とキャパシタの回路素子を用いモデル化しています。Pegasus Quantus Transistor-Level flow により、2Dと3Dのキャパシタモデル及びそのプロセスの配線に関連する抵抗率情報を含むプロセスコーナー毎のテクノロジファイル(qrcTechFile)が作成可能です。

Pegasus Verification System はクラウド対応の物理検証サインオフソリューションです。ファウンドリから提供されるテクノロジ毎のRunsetに基づきPegasus LVS がレイアウトネットリストを抽出し、スケマティックネットリストと比較を行います。Pegasus verificationはこの後に続く Quantus extractionに必要な全てのファイルを生成します。

Quantus Extraction Solution はポストレイアウト抽出を行い、デザイン中のレジスタ／キャパシタ／インダクタ効果、及びデジタル／アナログ／RFデザイン間の接続ワイヤのポストレイアウト寄生抽出を行います。

Quantus ソリューションはSPICE、トランジスタレベルDSPF、Quantus Smart View等、様々な出力書式をサポートしています。 Smart Viewはextractedビューの改良版で、処理時間／メモリ使用量／ネットリストサイズが大幅に改善されています。

電磁界解析

構造の電気的長さに因っては、RF配線ネットワークの重要な箇所は寄生抽出では正確にモデル化出来ず、設計者がフルウェーブEM解析を適用する必要があります。Virtuoso RF Solutionを使用することで、複数のEMソルバの選択肢が得られます。 Clarity は3次元の有限要素法(FEM)ソルバ、 EMX 及び AXIEM ソルバはモーメント法(MoM)アルゴリズムに基づきます。Virtuoso Layout Suite EXL プラットフォームへのそれらソルバの緊密な統合により、レイアウトの各箇所に適切な抽出手法を選択し、それらの異なる結果をシームレスにつなぎ合わせることが可能です。

Quantusの寄生抽出とRFのクリティカル箇所のEM抽出を結合するには、Electromagnetic Solver Assistant をEMモデル定義のコックピットとして使用します。

1. 初めに、新しいモデルを作成し、EMX又はAXIEMをSimulatorとして選択します。ここで、EM Solver アシスタントに因って複数のソルバをシームレスに切り替えできることに注目して下さい。RFICでよくあるプレーナレイアウトジオメトリに対しては、精度と実行時間のトレードオフの最適化が可能なMoMソルバが最適な選択肢になります。MoMソルバではメタルのみがメッシュ化され、アンノウンの数を大幅に減らすことが出来ます。

2. 次に、モデルに追加するコンポーネントとネットを選択します。スケマティック、Navigator アシスタント、Layoutキャンバスのいずれかから選択可能です。あなたのゴールデンレイアウトやスケマティックを変更する必要はなく、デザインをアクティブとパッシブのブロックに事前分割する必要もありません。

3. Ports タブに移ると、EM抽出を起動するMesh and Simulate をクリックする前に、自動的にポートが生成されます。

4. メッシュ化が終わり、EMXが実行している間に、3D Mesh Viewer でメッシュを解析することも可能です。メッシュから、結果の精度の見通しを得られます。ここで3DビューワのメタルレイヤのカラースキームがVirtuoso Layoutと同じであることに注目して下さい。

解析終了後、Results タブから、抽出されたSパラメタファイルにアクセスが可能です。

Quantus RC Extractionによる階層的な抽出とEMX EMシミュレーション

EMモデルの生成後に、

1. PVS Quantus フローを実行し、Smart Viewを作成します。

2. Quantusの完了後、EM Solverアシスタントに戻り、Create Extracted Viewをクリックします。

3. Create Extracted View フォームから、Reference Viewとしてsmartviewを選択します。Virtuosoフレームワークへの各ツールの緊密な統合により、新しいsmartview_sparam ビューが自動生成され、寄生効果の二重カウントを防止します。この新しいビューでは、全コンポーネントとEMモデルの一部であるネット寄生は、電磁界抽出されたSパラメタに置換されます。手動による操作は不要です。

ポストレイアウトの回路シミュレーションでは、Hierarchy Editorでこのビューの選択を行います。

このEMXソルバは、RFICのために作られたクラス最高EMソルバです。リリースされたばかりのVirtuoso 20.1 ISR15に含まれるVirtuoso RF Solutionへの統合により、寄生抽出と二重カウントを防止するEMモデリングの組み合わせを容易化する革新的な機能を提供します。

以前のRFIC設計では、手作業での受動部と能動部のつなぎ合わせに、どれ程の時間が掛かりましたか？寄生効果の数え間違いは絶対に無いと言えるでしょうか？ QuantusとEMXソルバによる階層的な抽出が、面倒で間違いやすい手動作業を防ぎ、設計サイクルを短縮出来ると思いませんか？

Virtuoso EM Rapid Adoption Kitをご覧いただき、フローを体感してみて下さい。そして今後も続くVirtuoso RF Solutionのエキサイティングな冒険をお楽しみに。

Claudia Roesch

Translator: Ryo Sato

Virtuoso Meets Maxwellについて

Virtuoso Meets Maxwellの連載では、設計者が設計者として生き抜くための設計プロセスの再構築と最適化にフォーカスする形で次世代のダイ、パッケージ、ボードの設計フローに関する投稿を行っています。ご注目ください！

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