模擬/射頻工藝遷移大變革

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感謝TechSugar對新思科技的關(guān)注

電子設(shè)計自動化（EDA）工具的演進趨勢是借助先進的自動化技術(shù)，提升設(shè)計效率與質(zhì)量，AI（人工智能）和ML（機器學(xué)習(xí)）技術(shù)的融入，進一步強化了這一特性。

在數(shù)字邏輯芯片領(lǐng)域，AI驅(qū)動的EDA工具已帶來巨大變革，可實現(xiàn)自動化布局布線、智能仿真與驗證、設(shè)計優(yōu)化以及FinFET工藝遷移等工作。然而，在模擬/射頻器件領(lǐng)域，由于電路設(shè)計的定制性與復(fù)雜性、工藝的多樣性等問題，AI用于模擬/射頻工藝遷移的研究成果與案例極為稀缺。

為提升AI在模擬/射頻器件設(shè)計和工藝遷移方面的技術(shù)價值，新思科技與格芯（GlobalFoundries）攜手，將一款高性能28GHz 5G毫米波功率放大器（Power Amplifier，PA）從格芯45RFSOI工藝平臺轉(zhuǎn)移至22FDX工藝平臺，并與手動遷移至22FDX工藝平臺的產(chǎn)品進行了對比。

模擬/射頻工藝特殊性提高AI技術(shù)應(yīng)用門檻

以往，模擬/射頻器件工藝遷移主要依靠設(shè)計工程師手動完成，且這些工程師需具備資深的設(shè)計與遷移經(jīng)驗，這為AI賦能模擬/射頻器件工藝遷移帶來了一些天然障礙，主要集中在設(shè)計復(fù)雜性、工藝差異性和AI工具不成熟這三個方面。

與大量使用標準元件庫的數(shù)字邏輯電路不同，模擬/射頻電路的設(shè)計很多時候是完全定制的。設(shè)計工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用和工藝平臺手動優(yōu)化設(shè)計。同時，在設(shè)計優(yōu)化過程中，模擬/射頻電路通常需要同時優(yōu)化多個性能指標，如增益、帶寬、功耗、噪聲等，而這些性能之間存在一定沖突，高度依賴設(shè)計工程師的經(jīng)驗和直覺。并且，這些經(jīng)驗和直覺因人而異，很難成為訓(xùn)練AI工具的標準數(shù)據(jù)。

在工藝方面，數(shù)字邏輯芯片主要采用FinFET工藝制造，每一代工藝迭代在基礎(chǔ)架構(gòu)、標準元件庫等方面都有大量延續(xù)。但模擬/射頻電路在工藝遷移時差異巨大，不同工藝節(jié)點或不同工藝技術(shù)都會導(dǎo)致器件性能產(chǎn)生巨大差異。尤其是每更換一個工藝平臺，寄生效應(yīng)（如寄生電容、電阻、電感）會發(fā)生很大改變，這就要求在工藝遷移時對這些參數(shù)進行針對性優(yōu)化，而每個設(shè)計工程師的優(yōu)化策略都不相同。此外，在模擬/射頻工藝上，不同工藝的PDK（Process Design Kit）中的參數(shù)和單元也并不一致。這些差異性給使用AI進行模擬/射頻工藝遷移造成了很大的阻礙，要求AI工具能夠深刻理解并映射這些差異。

在此次新思科技和格芯的合作案例中，所進行的工藝遷移涵蓋了不同的工藝節(jié)點和不同的工藝類型。其中，45RFSOI工藝平臺是45nm節(jié)點的PDSOI工藝，22FDX工藝是22nm節(jié)點的FDSOI工藝。PDSOI和FDSOI雖然都是絕緣體上硅（Silicon on Insulator，SOI）技術(shù)，但兩者在活性層耗盡程度、柵極電容與漏電流、摻雜與退火處理等方面存在顯著差異，具體如下表所示。

由于節(jié)點和工藝不同，格芯的45RFSOI平臺和22FDX平臺具有不同的技術(shù)特性。45RFSOI是格芯與頂級射頻公司合作提供的業(yè)界領(lǐng)先的射頻SOI技術(shù)，可為各種射頻應(yīng)用帶來低功耗、低噪聲和低延遲等特點。其高截止頻率（fT）和最大振蕩頻率（fmax）（305/380GHz）可滿足5G毫米波工作頻率，能實現(xiàn)更高的PA Pout和PAE，采用高電阻率的富陷阱層襯底能實現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)匹配。

22FDX是一種專門為SoC應(yīng)用實現(xiàn)最佳RF/mmWave性能而設(shè)計的工藝技術(shù)，能夠提供高性能的射頻和電源管理功能，具有347GHz的高fT和371GHz的高fmax。格芯的22FDX采用薄埋氧層（Buried Oxide,BOX），隔離了完全耗盡的晶體管與襯底，顯著降低了漏源寄生電容，從而提高了射頻性能；支持背柵控制，可以動態(tài)調(diào)整器件特性，如閾值電壓；支持高密度的APMOM電容，能夠使用更精細的金屬層實現(xiàn)高密度集成；提供高性能的前端（FEOL）和后端（BEOL）射頻無源元件，支持更加復(fù)雜的電路設(shè)計；支持高達110GHz的頻率范圍，適用于5G毫米波和衛(wèi)星通信等高頻應(yīng)用；通過厚金屬層，如JA層，實現(xiàn)高電流密度，滿足毫米波電路的電磁兼容性（EMC）要求。

與FinFET工藝相比，22FDX技術(shù)使用更少的掩模層，降低了制造成本；ENBFMOAT器件（一種特殊的高電阻區(qū)域器件）具有優(yōu)異的開關(guān)性能，進一步提高了射頻電路的隔離度；22FDX技術(shù)提供完整的工藝設(shè)計套件（PDK），包括參數(shù)化單元（pCell）、器件模型和設(shè)計規(guī)則，支持快速設(shè)計和驗證。

▲圖1：BFMOAT橫截面

▲圖2：基于22FDX實現(xiàn)毫米波器件設(shè)計

通過工藝平臺介紹可知，基于22FDX設(shè)計制造高性能28GHz毫米波PA能夠?qū)崿F(xiàn)更低的器件功耗、更高的器件集成度、更靈活的器件設(shè)計等。不過，正如上文所述，工藝節(jié)點和工藝技術(shù)的變化，對模擬/射頻器件遷移極具挑戰(zhàn)。目前可用的工藝遷移方案采用手動方式，是一項勞動密集型任務(wù)。按照手動方式，將高性能28GHz毫米波PA從45RFSOI遷移到22FDX，大約需要1-2個月完成前端設(shè)計/分析，之后還需要1個月完成布局。

AI工具帶來10-20倍的遷移效率提升

格芯的22FDX平臺還有一項顯著的設(shè)計資源優(yōu)勢，即該平臺支持AI驅(qū)動的EDA工具，可借助新思科技的ASO.ai實現(xiàn)由AI驅(qū)動的設(shè)計遷移和優(yōu)化，加速設(shè)計流程。

如下圖所示，在此次新思科技和格芯的合作中，AI工具完成了自動原理圖遷移、射頻電路優(yōu)化和自動化布局的整個流程，顯著提升了射頻工程師的設(shè)計效率。

▲圖3：AI驅(qū)動的射頻遷移工作流

在原理圖遷移環(huán)節(jié)，手動遷移需要工程師對PDK和技術(shù)數(shù)據(jù)庫逐一進行映射和更新，工作十分繁瑣。在自動原理圖遷移過程中，AI工具將原參數(shù)映射到其最近的等效參數(shù)，然后觸發(fā)CDF回調(diào)以更新最新的參數(shù)。自定義編譯器中的設(shè)計重新定位功能用于將28GHz毫米波PA原理圖和測試臺從格芯的45RFSOI遷移到22FDX節(jié)點，以便在遷移后設(shè)計可以準備成網(wǎng)表并進行仿真。

在此過程中，新思科技的PrimeWave設(shè)計環(huán)境提供了一個由AI驅(qū)動的設(shè)計環(huán)境，用以提供測試臺分析、網(wǎng)表，并能夠使用單測試臺（STB）和多測試臺（MTB）設(shè)置運行各種模擬，以運行PrimeSim SPICERF模擬，然后使用波形查看器和結(jié)果分析工具分析布局前和布局后的電路結(jié)果。

此時，PrimeWave給出的設(shè)計特征與設(shè)計規(guī)范并不匹配，于是進入基于AI的射頻電路優(yōu)化環(huán)節(jié)。新思科技的ASO.ai電路優(yōu)化技術(shù)基于AI和ML技術(shù)，加速模擬和射頻電路的設(shè)計優(yōu)化流程。如下圖所示，ASO.ai可以幫助設(shè)計工程師進行以下操作：

在PrimeWave設(shè)計環(huán)境中設(shè)置測試臺、設(shè)計目標和約束條件等；

使用PrimeWave的參數(shù)化工具，將設(shè)計中的關(guān)鍵參數(shù)定義為可變參數(shù)量；

通過ASO.ai電路優(yōu)化界面設(shè)置置換參數(shù)（優(yōu)化參數(shù)）和目標指標；

通過ASO.ai電路優(yōu)化界面設(shè)置停止條件；

優(yōu)化完成后，ASO.ai提供詳細的優(yōu)化結(jié)果，包括最佳參數(shù)組合和對應(yīng)的性能指標。

▲圖4：ASO.ai電路優(yōu)化技術(shù)的優(yōu)化流程。

在整個優(yōu)化過程中，ASO.ai電路優(yōu)化技術(shù)自動優(yōu)化了直流電路偏置點、功率增加效率（PAE）等關(guān)鍵參數(shù)，并提高了PA的穩(wěn)定性，所有自動優(yōu)化之后的參數(shù)都非常接近所需值。隨后，使用PrimeWave運行PrimeSim對PAE等指標進行大信號分析，然后使用PrimeSim SPICE品質(zhì)平衡分析來檢查PA是否滿足PAE關(guān)鍵規(guī)范，以及是否需要進一步優(yōu)化以最大限度地提高PAE。結(jié)果顯示，高性能28GHz毫米波PA在格芯的22FDX節(jié)點能夠展現(xiàn)出接近或優(yōu)于格芯45RFSOI節(jié)點的性能，不再需要進一步的優(yōu)化。

▲圖5：28GHz毫米波PA自動優(yōu)化結(jié)果顯示

在此次AI驅(qū)動的自動遷移過程中，新思科技ASO.ai展示了加速模擬/射頻電路設(shè)計和遷移的強大能力。ASO.ai包含一套豐富的由AI驅(qū)動的設(shè)計、實施和驗證解決方案，包括統(tǒng)一的設(shè)計和驗證工具Custom Design Family、電路模擬解決方案PrimeSim、設(shè)計環(huán)境Custom Compiler、物理驗證高性能簽發(fā)解決方案IC Validator、寄生參數(shù)提取解決方案StarRC和光學(xué)解決方案。

基于這一整套工具鏈，ASO.ai可以幫助設(shè)計工程師實現(xiàn)自動工藝節(jié)點遷移、大規(guī)模設(shè)計優(yōu)化、布局感知設(shè)計優(yōu)化和對電路的智能分析，以最少的人力完成大規(guī)模的模擬/射頻電路的升級迭代和產(chǎn)品上市。之所以能夠做到這一點，是因為ASO.ai工具組合匯集了模擬/射頻設(shè)計工程師們數(shù)十年的工程經(jīng)驗和設(shè)計知識，采用突破性的強化學(xué)習(xí)優(yōu)化技術(shù)，將這些寶貴的設(shè)計經(jīng)驗和設(shè)計直覺轉(zhuǎn)化為由AI驅(qū)動的自動化設(shè)計方法，節(jié)省了大量繁瑣的手動工作時間和成本。

最終結(jié)果顯示，借助新思科技ASO.ai解決方案，只需短短幾天就能完成高性能28GHz毫米波PA從45RFSOI工藝向22FDX工藝的遷移，并實現(xiàn)接近或超越的射頻性能，從而提高10-20倍的生產(chǎn)率。同時，新思科技和格芯此次的合作還發(fā)現(xiàn)了一些后續(xù)可優(yōu)化的方向，比如輸出匹配變壓器的優(yōu)化是提升功率放大器PAE的關(guān)鍵手段。通過新思科技的Custom Compiler RF設(shè)計解決方案搭配是德科技（Keysight）或新思科技（來自Ansys）的電磁（EM）提取工具，可對變壓器進行精確建模和優(yōu)化，更準確地預(yù)測和優(yōu)化其性能，從而提升PAE。

新思科技BSDF測量解決方案

與數(shù)字邏輯電路不同，模擬/射頻電路以往的設(shè)計和遷移更多依賴設(shè)計工程師的個人經(jīng)驗和直覺，在參數(shù)映射和更新以及電路優(yōu)化方面需耗費大量時間，工作量繁雜且易出現(xiàn)人為錯誤。以高性能28GHz毫米波PA從45RFSOI工藝向22FDX工藝的遷移為例，人工操作需要2-3個月時間，而通過使用新思科技的ASO.ai解決方案，這一過程縮短至數(shù)天，帶來了10-20倍的生產(chǎn)率提升。

ASO.ai積累了模擬/射頻設(shè)計工程師數(shù)十年的工程經(jīng)驗和設(shè)計知識，借助先進的AI和ML技術(shù)，這些寶貴的知識財富將逐步釋放到整個模擬/射頻電路設(shè)計領(lǐng)域，開啟模擬/射頻電路設(shè)計和工藝遷移的智能化時代。