Virtuoso Meets Maxwell: EMX — 業界をリードするRFIC用電磁界ソルバー

23 Mar 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。

みなさん、こんにちは。これは私が投稿するVirtuoso Meets Maxwellシリーズの最初のブログです。このブログは、Virtuoso Meets Maxwell 2021 introductionのブログ (Virtuoso Meets Maxwell: Virtuoso RFソリューション ― フローの革命が次のレベルへ突入) を基にしています。今日は、私の大好きなトピックの1つである、Cadence EMX Planar 3D Solverを使ったRFICの電磁界 (EM) 解析についてお話します。

なぜ電磁界シミュレーションが必要か？

実際それはスピードの問題です。誰でも速くなりたいと思いますよね？回路の速度が増すと、昔の仮定がもはや通用しなくなります。速度の増加は、波長の縮小と実効電気長の増加に相当します。そうなると、レイアウトの電気的なサイズは事実上大きくなります。これが起こると、RCまたはRLCK抽出エンジンの前提条件が崩れ始めます。真の回路性能を予測することはできず、回路シミュレーションは現実と一致しなくなります。

でも、これはRF回路のためだけのものか？

残念ながら、設計者はそれほど幸運ではありません。確かに、パワーアンプ(PA)、ローノイズアンプ(LNA)、ミキサーなど、従来のRF回路にはEMシミュレーションが必要です。しかし、多くの「高速アナログ」回路にもこの精度が必要です。

5GHzのクロック信号を想像してみましょう (もうそんなに速くないですよね)。ジッターを減らすためには、立ち上がりと立ち下がりの時間をできるだけ短くするように努力します。これは、非常に「方形」波であることを意味します。この波を正確にモデル化するためには、多くの高調波が必要になります。つまり、5GHzでは十分ではなく、もっと高い周波数まで正確にモデル化できるような抽出が必要なのです。

高速クロックでは波長が短くなるため、レイアウトの電気的サイズが大きくなり、キルヒホッフの電流則 (KCL)と電圧則 (KVL)が働かなくなります。電界と磁界の結合の強さによっては、完全な電磁界ソリューションが必要になります。

どのような構造を解析できるのか？

EMXソルバーは非常に柔軟性の高い電磁ソルバーで、ほぼすべての受動構造を特性化できます。構造を回路部品と考えている人がいますが、EMXソルバーはそれ以上のものです。

確かに、EMXソルバーはインダクタ、容量、抵抗をシミュレートできます。また、バランやトランスなどの大きな構造も解くことができます。また、伝送線路もEMXソルバーでは定番の構造です。

しかし、多くの人には知られていませんが、EMXソルバーは回路ブロックもシミュレートできます。ブラックボックス技術を使用して、アクティブ・コンポーネントを削除し、各アクティブ・コンポーネントの各接続部にポートを適切に追加し、ブロックの残りの部分をシミュレートすることができます。この良い例としては、VCO構造の容量バンク、インダクタ、インターコネクトのシミュレーションが挙げられます。

使いやすさ

EMXソルバーはRFICの電磁界解析において業界をリードしており、使いやすさ、性能、ファウンドリのサポートを兼ね備えています。Virtuoso Layout EXLのElectromagnetic Solver Assistantのシンプルなフォームでは、スイープ範囲とポートを設定できます。ポート構造は既存のピン構造の上に自動的に作成されるので、セットアップは簡単です。ポートと周波数が設定されると、EMXソルバーの実行準備が整います。

シミュレーション終了後は、Sパラメータのビューを簡単に作成し、回路シミュレーションやデータ管理、共有が可能です。

この環境では、プロセス、温度、その他の設定のスイープを簡単にセットアップすることもできます。これにより、Virtuoso ADE Assemblerでスイープ可能な複数のSパラメータ・モデルが作成されます。

パッシブ・モデリング

EMXソルバーで構造をモデル化した後、そのモデルをSパラメータ・ファイルではなく回路図ベースのモデルにしたい場合があります。EMXソルバーに搭載されているModelgenツールを使えば、多くの構造でこれが可能です。

これらのモデルは、シミュレートされたSパラメータ・ファイルに正確にフィットし、いくつかの利点があります。構造を可視化し、どのようにして性能を向上させることができるかを検討することができます。また、これらのモデルは、回路シミュレーターで非常に高速に動作します。以下は、インダクタのモデルの例です:

可視化

構造の基本的な可視化とは、単に実行されているメッシュを見ることです。しかし、優れた可視化とはそれだけではありません。

EMXソルバーでは、これよりもはるかに多くのものを可視化することができます。構造内の電流を位相の関数として可視化することで、デザインをより深く理解することができます。

性能

EMXソルバーは、FMM (高速多重極展開法) を採用しているため、非常に高速にデザインを解くことができます。これに並列化を組み合わせることで、大規模なデザインでも解くことが可能になります。EMXソルバーは、1台のマシンまたは複数のマシンでの並列処理が可能です。これにより、ファームを活用して大規模な回路を解くことができます。

ファウンドリ・サポート

EMソルバーを選択する際には、ファウンドリのサポートが非常に重要です。EMXソルバーはファウンドリのサポートが充実しており、ほとんどのファウンドリ・ノードでプロセス・ファイルのみで使用することができます。

EMXソルバーには、最新の先端ノードであっても、実際のIC製造をサポートする独自の機能が用意されています。ファウンドリが提供するバイアス・ルールにより、ソルバーはレイアウトに描かれているものだけでなく、製造されるものをモデル化することができます。これは、特に先端ノードでは精度の面で非常に重要です。下の図は、描かれたものと製造されたものを比較したものです:

Thanks for reading and happy designing!

Scott Dickinson

Translator: Yoko Watanabe

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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