混合信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)遇到的挑戰(zhàn)和新興解決方案

汽車和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備的最新進(jìn)展繼續(xù)推動(dòng)當(dāng)今混合信號(hào)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，極大地挑戰(zhàn)了混合信號(hào)驗(yàn)證。工程師需要從晶體管到芯片再到系統(tǒng)的解決方案，他們還需要更好的方法來提高生產(chǎn)率。本文將研究混合信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)支持的主要趨勢(shì)，挑戰(zhàn)和新興解決方案，重點(diǎn)是混合信號(hào)驗(yàn)證。

采用汽車設(shè)計(jì)的系統(tǒng)級(jí)視圖

大約85％的SoC設(shè)計(jì)啟動(dòng)是混合信號(hào)設(shè)計(jì)，根據(jù)IBS，其中許多還需要低功耗。汽車設(shè)計(jì)可以很好地說明工程師面臨更多系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的行業(yè)。在過去的幾年中，典型的汽車設(shè)計(jì)將具有簡(jiǎn)單的微控制器和單個(gè)傳感器?，F(xiàn)在，特別是隨著自動(dòng)駕駛，信息娛樂系統(tǒng)和高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）的興起，車輛有多個(gè)傳感器和MCU可能需要相互通信。

在設(shè)備級(jí)別，這些必須模擬芯片，并驗(yàn)證它們能夠在極端環(huán)境條件下可靠地運(yùn)行。在系統(tǒng)級(jí)別，車輛必須設(shè)計(jì)成能夠安全地響應(yīng)所有傳感器輸入。例如，工程師必須確保傳感器數(shù)據(jù)可以被聚合和分析，以準(zhǔn)確顯示正在發(fā)生的事情，車輛是否需要檢測(cè)到行走的行人或另一輛車的錯(cuò)誤車道變換。供應(yīng)鏈中的IP，設(shè)計(jì)工具和其他組件必須經(jīng)過認(rèn)證，以滿足車輛功能安全標(biāo)準(zhǔn)，例如ISO 26262。

電源一直不是汽車設(shè)計(jì)中的大問題，因?yàn)槠囯姵赝ǔＷ阋蕴峁┸囕d電子設(shè)備所需的電力。然而，汽車現(xiàn)在通常包含數(shù)百個(gè)傳感器，通過無線協(xié)議實(shí)現(xiàn)車內(nèi)連接，并且還具有冗余傳感器和可靠性系統(tǒng)。需要采用更多的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)來降低電子系統(tǒng)的總功耗。配電系統(tǒng)，特別是電動(dòng)汽車，可能在某些時(shí)候需要重新設(shè)計(jì)，以提供足夠的電力來容納所有這些電源。

汽車行業(yè)正在發(fā)生的一個(gè)令人驚訝的趨勢(shì)是轉(zhuǎn)變到高級(jí)節(jié)點(diǎn)SoC。較長的工藝節(jié)點(diǎn)長期以來足以用于汽車SoC設(shè)計(jì)。然而，由于汽車傳感器最近聚集了如此多的數(shù)據(jù)，因此需要功能強(qiáng)大的處理器來分析這些數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)確定。更重要的是，數(shù)據(jù)量可能會(huì)增長 - 例如，未來的汽車可能需要能夠與其他汽車進(jìn)行通信。高級(jí)節(jié)點(diǎn)芯片將提供處理速度來支持這一點(diǎn)。

降低物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的能力

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)包含一個(gè)廣泛的終端設(shè)備，都需要連接。功耗是現(xiàn)場(chǎng)傳感器和可穿戴設(shè)備中非常關(guān)鍵的元素。為了滿足嚴(yán)格的低功耗要求，許多工程師正在轉(zhuǎn)向超低功耗設(shè)計(jì)，亞閾值CMOS設(shè)計(jì)以及精密電源管理控制系統(tǒng)的集成等技術(shù)。這些技術(shù)需要在低電壓水平下更好地表征器件，并特別注意工藝變化和泄漏功率。代工廠正在開發(fā)專門針對(duì)超低功耗設(shè)計(jì)的工藝。

能源收獲也是一個(gè)充滿希望的未來選擇。光伏方法是目前最常用的方法。無線電或聲波的能量收集仍處于研究階段。目前，從這些新方法中獲取的功率相當(dāng)?shù)?，并且可能不足以用于超低功耗設(shè)計(jì)。

與汽車一樣，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)也受到大量數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)。需要進(jìn)行匯總和分析。在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和云服務(wù)器中，性能和連接功能對(duì)成功至關(guān)重要。高級(jí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)程在提供足夠的計(jì)算能力方面發(fā)揮著重要作用。代工廠不斷向低于10納米的工藝節(jié)點(diǎn)發(fā)展。但是，高級(jí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)程只能推送到目前為止。許多工程團(tuán)隊(duì)也正在利用2.5D和3D技術(shù)，通過先進(jìn)的包裝將芯片與不同技術(shù)相結(jié)合。這不僅擴(kuò)展了摩爾定律，而且還可以利用多個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)來優(yōu)化器件性能。

所有這些方法和技術(shù)都會(huì)導(dǎo)致更復(fù)雜的芯片，封裝和電路板驗(yàn)證，并且需要用于更好的分析工具，以確保信號(hào)完整性和電源完整性，模型熱效應(yīng)等。從整體上看一個(gè)設(shè)計(jì)（圖1），能夠用封裝和電路板作為整個(gè)系統(tǒng)模擬芯片也更為重要。

圖1：芯片設(shè)計(jì)的整體方法 - 考慮到芯片，封裝和電路板 - 可以支持更全面的驗(yàn)證過程。

提高混合信號(hào)驗(yàn)證效率

通常，混合信號(hào)方法需要很長的路程。例如，考慮一家傳感器公司，其設(shè)計(jì)最初可能只有很少的數(shù)字組件。隨著這些設(shè)計(jì)變得越來越復(fù)雜，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須處理數(shù)字內(nèi)容的增加。處理與模擬相同的數(shù)字內(nèi)容不僅成本高昂，而且不會(huì)產(chǎn)生最佳結(jié)果。因此，工程師必須學(xué)習(xí)新的方法并調(diào)整他們的技能。

在工具方面，這種轉(zhuǎn)變涉及合并模擬和數(shù)字方法，以支持高質(zhì)量芯片的設(shè)計(jì)。雖然沒有一種適合所有混合信號(hào)設(shè)計(jì)的通用流程，但有一些基本要點(diǎn)需要考慮。首先，當(dāng)您可以將模擬和數(shù)字兩者共同模擬時(shí)，前端驗(yàn)證從模擬開始。速度是這里的一個(gè)重要目標(biāo)，但也是一個(gè)挑戰(zhàn)。在模擬方面，傳統(tǒng)上使用SPICE求解器，但對(duì)數(shù)字端來說速度很慢。在數(shù)字方面，驗(yàn)證通常包括整個(gè)芯片的功能驗(yàn)證。然而，對(duì)于混合信號(hào)設(shè)計(jì)，工程師經(jīng)常被迫將SPICE引擎插入到功能驗(yàn)證過程中，從而減慢一切。您需要進(jìn)行回歸并且能夠每晚運(yùn)行數(shù)千次模擬，但SPICE求解器不支持通過如此大量模擬所需的速度。

我們?nèi)绾斡行У啬M模擬在數(shù)字世界？許多人正在轉(zhuǎn)向SystemVerilog實(shí)數(shù)建模，創(chuàng)建模擬模塊的模型，以準(zhǔn)確，快速地表示其全芯片驗(yàn)證的行為。雖然此選項(xiàng)可提供速度，但這也意味著熟悉設(shè)計(jì)的人員應(yīng)編寫模型，然后驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。因此，模型創(chuàng)建和驗(yàn)證可能成為以模擬為中心的工程師的負(fù)擔(dān)。

然后問題轉(zhuǎn)向：我怎么知道我什么時(shí)候完成？提高整體設(shè)計(jì)質(zhì)量需要有詳細(xì)記錄的驗(yàn)證計(jì)劃，這可以幫助您確定何時(shí)完全驗(yàn)證您的設(shè)計(jì)。使用指標(biāo)驅(qū)動(dòng)的驗(yàn)證方法（圖2）以及市場(chǎng)上自動(dòng)執(zhí)行驗(yàn)證管理流程的工具之一，您可以跟蹤數(shù)字方面的驗(yàn)證進(jìn)度。我做過所有必要的測(cè)試了嗎？有多少比例的模擬通過并失敗了？但是，模擬方面還沒有類似的方法。

圖2 ：公制驅(qū)動(dòng)的驗(yàn)證方法，當(dāng)擴(kuò)展到模擬設(shè)計(jì)時(shí)，可以有利于混合信號(hào)設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

需要方法轉(zhuǎn)換

很明顯，成功的混合信號(hào)芯片驗(yàn)證要求進(jìn)行方法轉(zhuǎn)換。度量驅(qū)動(dòng)的驗(yàn)證必須擴(kuò)展到混合信號(hào)設(shè)計(jì)。實(shí)數(shù)建模成為關(guān)鍵的推動(dòng)因素。我們也會(huì)看到斷言在模擬域中被更頻繁地采用。最后，驗(yàn)證計(jì)劃是必須的。所有這些都需要技能和組織協(xié)調(diào)，組織雇用專門的混合信號(hào)驗(yàn)證工程師以及具有模擬行為建模專業(yè)知識(shí)的工程師。

隨著混合信號(hào)設(shè)計(jì)繼續(xù)變得越來越復(fù)雜，顯然需要一種方法轉(zhuǎn)變來有效地驗(yàn)證SoC的模擬和數(shù)字組件。此外，還需要一個(gè)包含芯片，封裝和電路板的整體系統(tǒng)級(jí)視圖，以確保包括汽車和物聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的應(yīng)用領(lǐng)域的高質(zhì)量芯片。