S
istemi
MIXED-SIGNAL
Progettazione e verifica nel prossimo
decennio: una sfida complessa
Linda Fosler
Direttore marketing
Divisione Deep Submicron
Mentor Graphics
M
entre il mondo reale è analogico, i computer sono digitali.
Questa affermazione sintetizza lo scenario di tutte le complesse sfide
che dovrà affrontare la progettazione dei
circuiti nel prossimo decennio. Secondo
G. Dan Hutchenson, presidente di VLSI
Research, “La realtà virtuale si può ottenere solo mediante chip di tipo mixedsignal”: ogni progettista del pianeta – sia
che sviluppi sofisticati armamenti, oppure smart phone o ancora automobili che
quasi si guidano da sole – sta inseguendo una propria forma di realtà virtuale.
La maggior parte delle metodologie
EDA (Electronic Design Automation) e
dei tool che li supportano sono tuttavia
inadeguati per espletare il compito della
progettazione per il “mondo reale”, data
l’incapacità di gestire una quantità enorme di variabili progettuali. L’elenco è
lungo qualunque sia l’applicazione e
include per esempio le variazioni di processo, di tensione e di temperatura
(PVT), i consumi energetici, i vincoli di
processo e i requisiti in termini di resa.
Una complessità sempre
maggiore
È stata l’invenzione del transistor a consentire agli ingegneri di “oltrepassare” le
leggi fisiche che governano il comportamento dei circuiti elettrici, permettendo
di utilizzare per la maggior parte di essi
ELETTRONICA OGGI 396 - GENNAIO 2010
L’interfacciamento di circuiti digitali con il mondo analogico
è sempre stato un problema complesso reso ancora più difficile
dalla progressiva riduzione delle geometrie di processo
una rappresentazione alternativa in logica binaria. Ora, in una sorta di versione
elettronica del vecchio adagio “Più le
cose cambiano, più rimangono le stesse”, il digitale sta diventando analogico,
mano a mano che i processi in scala submicrometrica costringono gli ingegneri
a tener conto degli effetti parassiti derivanti dal comportamento intrinsecamente analogico di tutti i circuiti elettrici.
I segnali analogici sono una componente
naturale di tutte le applicazioni in domini
di tipo continuo, quali quelli dell’audio,
delle immagini e del suono. I circuiti analogici forniscono l’interfaccia a queste
applicazioni di sensorisitica nel mondo
reale e al mondo digitale dei processori e
delle memorie. Tra le più comuni applicazioni analogiche implementate su silicio si possono annoverare amplificatori
di potenza e di segnale, sistemi di temporizzazione, sistemi di controllo della
frequenza realizzati mediante circuiti ad
aggancio di fase (phase-locked loop PLL), filtri, circuiti sintetizzatori e transceiver per le connessioni wireless.
Tutti i principali settori applicativi del
mercato dell’elettronica - tra cui consumer, automotive e telecomunicazioni, tre
dei mercati in più rapida crescita negli
ultimi 10 anni e, si prevede, anche nei
prossimi 10 – necessitano di un qualche
tipo di interfaccia analogica verso la
sezione digitale delle apparecchiature.
Ciò viene sempre più realizzato inserendo entrambe le componenti, analogica e
digitale, all’interno di uno stesso chip. La
progettazione e la verifica analogica e
mixed-signal sono diventate, nel campo
della progettazione dei chip le vere grandi sfide del prossimo decennio.
Sebbene sia difficile stimare con precisione quanti dei nuovi progetti in fase di
avvio siano di tipo mixed-signal, i dati dei
principali produttori di tool EDA indicano che la maggior parte dei propri clienti si sta nettamente orientando verso progetti di questo tipo. Una delle aziende
leader in questo settore afferma che più
del 20% dei propri clienti è impegnato
nella progettazione di chip destinati
esclusivamente ad applicazioni di tipo a
segnali misti. Gli analisti di mercato
hanno stimato che l’80% dei progetti IC
odierni sia di tipo mixed-signal.
La progettazione analogica, rispetto a
quella digitale, rimane sempre più complessa, causa l’estrema variabilità presente tra i diversi chip sullo stesso wafer,
che può arrivare fino al ±20%. In aggiunta, spesso le caratteristiche dei chip
variano anche tra i diversi wafer di semiconduttore lavorati. Minime differenze
nei valori dei tempi di diffusione, disomogeneità nei livelli di drogaggio e altri
fattori possono produrre effetti di notevole entità sulle proprietà dei singoli
chip (Fig. 1). La complessità dei compo-
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MIXED-SIGNAL
Fig. 1 - Variabilità di
processo “site-to-site”,
su un singolo wafer e
variabilità di processo
“wafer-to-wafer”, tra
diversi wafer
nenti analogici inoltre cresce all’aumentare dell’ampiezza di banda e delle frequenze. Senza dimenticare che il contesto è in continua evoluzione: la progettazione dei chip mixed-signal deve continuamente adattarsi all’evoluzione delle
tecnologie e dei protocolli wireless.
Progetto mixed-signal:
una relazione complessa
Negli anni ‘70 e ‘80, le funzioni analogiche e digitali venivano eseguite da chip
separati. La progressiva riduzione delle
dimensioni dei computer ha comportato
la loro trasformazione in apparecchiature portatili, alimentate a batterie come i
cellulari, gli iPod e i videogiochi tascabili, mentre la capacità di fungere da cervello per applicazioni critiche “by wire” dove cioè devono anche interagire in
tempo reale con il mondo circostante ha dato avvio all’era dei chip mixedsignal. Questa si è presentata alla ribalta
accompagnata da una promessa impegnativa: riuscire da un lato a supportare
le richieste in termini di riduzioni di
dimensioni, consumi e costi e dall’altro
semplificare le difficoltà e le sfide progettuali e di verifica. Sebbene i chip
siano stati capaci di integrare funzionalità sia analogiche sia digitali, i relativi
processi di progettazione rimangono in
buona parte separati: ciò rappresenta
insieme un problema e un’opportunità.
A partire da dispositivi semplici come i
sensori e i controlli per il settore automotive, fino ad arrivare alle sofisticate
apparecchiature smart mobile di oggi,
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l’importanza della progettazione e della
verifica mixed-signal negli ultimi dieci
anni è decuplicata. L’ascesa esponenziale del mercato wireless farà da volano
alla crescita della complessità della progettazione e della verifica mixed-signal,
grazie alla capacità dell’elaborazione
digitale di esaltare le funzionalità analogiche. Perfino in uno scenario economico piatto come quello del biennio 20082009, gli analisti di Gartner riferiscono
che alcuni segmenti chiave del mercato,
come quello degli smart phones, sono
cresciuti globalmente di quasi il 14%.
Progettare un chip capace di elaborare
sia i segnali analogici sia quelli digitali,
come pure i segnali a radiofrequenza
(RF) necessari per i dispositivi palmari,
è compito arduo in quanto i domini dei
segnali presentano significative differenze tecniche. Le sezioni analogiche tipicamente includono convertitori digitale/analogico, funzioni resistive, controllo delle batterie e dell’alimentazione,
amplificatori di segnale e componenti
specifici dell’applicazione, come interfacce termiche o di movimento nei sensori. Le sezioni digitali includono un
microcontrollore o un microprocessore,
della risorse di memoria, convertitori
A/D (analogico/digitali) e un bus di interfaccia. È stato necessario proporre
nuovi approcci progettuali che prevedono processori di segnali digitali per collegare i segnali analogici ad alta frequenza o i segnali RF del wireless dell’ordine dei GHz alle frequenze più ridotte utilizzate nell’elaborazione digitale dei
segnali, dell’ordine dei kHz. Tuttavia
non si sono resi disponibili tool “robusti”
per la progettazione e la verifica, in
grado di automatizzare lo sviluppo dei
chip mixed-signal. Ad esempio, le più diffuse tecniche di simulazione utilizzate
per la verifica dei progetti analogici sviluppati con geometrie nanometriche
prevedono l’analisi Montecarlo. Con
questa metodologia è possibile prevedere in che misura un progetto a livello di
transistor sarà in grado di rispettare le
specifiche e i vincoli di resa una volta
prodotto. Il problema che sorge facendo
troppo affidamento su questa tecnica è
rappresentato dal fatto che l’analisi
Montecarlo di per sé non fornisce al progettista nessun dettaglio oltre a quelli
relativi alla resa. Nessuna informazione,
ad esempio, sui motivi della non conformità del progetto, o su quali siano le problematiche che ne limitano la resa o su
come ottimizzarlo per trovare il giusto
compromesso tra resa e prestazioni del
circuito.
Per la progettazione della sezione analogica del chip non esiste nessuna tecnica
equivalente alla sintesi digitale, se si
escludono alcuni approcci recenti, come
la verifica formale. Con ogni probabilità
la tecnica tuttora più utilizzata dai progettisti, in mancanza di strumenti in
grado di garantire una robusta automazione di progetto e di verifica analogica e
mixed-signal, consiste nel sovradimensionamento dei circuiti, il che comporta
la necessità di impostare margini di sicurezza eccessivi. Questi eccessi tendono
a produrre circuiti integrati sicuramente
non ottimizzati, con le conseguenti ricadute negative in termini di consumi, di
superficie occupata e di prestazioni. Ma
l’incessante corsa verso geometrie più
ridotte non può certo “sopportare”
sovradimensionamenti progettuali. La
disponibilità di nuove metodologie e di
nuovi tool è dunque un fattore critico per
l’efficienza della progettazione e della
verifica analogica e mixed-signal, soprattutto al di sotto dei 65 nanometri.
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Un moderno framework
per la progettazione
e la verifica transistor-level
I progettisti avvertono con sempre maggior urgenza la necessità di avere un framework completo per la progettazione e
la verifica transistor-level, che includa
metodologie, tool e relativi algoritmi in
grado di analizzare, ottimizzare e verificare i circuiti mixed-signal, nell’ambito
delle variabilità di produzione stabilite –
e ben prima del tape-out. Non è sicuramente un compito semplice. Gli odierni
progetti in scala nanometrica prevedono
migliaia di variabili, ragion per cui risulta difficile fare ipotesi preliminari di tipo
semplificativo.
Attualmente, i progettisti di circuiti digitali possono avvalersi di una completa
raccolta di strumenti di computer-aided
design. I progettisti analogici invece
possono contare su un numero ancora
relativamente limitato, anche se si profilano interessanti sviluppi all’orizzonte.
Quasi un decennio è trascorso da quando IEEE e Open Verilog International
hanno adottato standard i linguaggi di
descrizione dell’hardware (HDL Hardware Description Language) usati
dai tool di progettazione analogica e
mixed-signal. Ad esempio per Verilog e
VHDL sono state definite estensioni
analogiche, Verilog AMS e VHDL-AMS.
Tuttavia, per l’analogica ancora non esiste una funzionalità di sintesi robusta
simile a Synopsys Design Compiler che
permette, nel dominio digitale, di passare direttamente dall’RTL ai gate.
La maggior parte delle aziende leader
ha affrontato il problema adottando una
metodologia e un flusso di tipo topdown, con un approccio tipo “divide et
impera” (Fig. 2). Una pratica possibile
prevede la verifica della porzione digitale del progetto descritta in Verilog o
VHDL l’utilizzo di pseudo-modelli digitali per i blocchi analogici. Lo svantaggio di questo approccio è rappresentato
dal fatto che per creare gli pseudomodelli digitali è necessario prevedere
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una fase specifica. I simulatori Spice
rimangono una componente critica della
verifica analogica mixed/signal. I simulatori Spice eseguono una simulazione
matematica del comportamento di un
circuito sulla base di una netlist dei suoi
componenti e delle loro reciproche
interconnessioni. Le simulazioni Spice
sono notoriamente molto lente per i circuiti complessi, che devono essere tipicamente analizzati in base a numerosi
fattori tra i quali disturbi, jitter, riflessione e interferenze. La lentezza degli
Spice tradizionali ha portato allo sviluppo dei Fast Spice, in cui in sostanza è
possibile ottenere una maggior velocità,
ma a fronte di una minore accuratezza.
Tra le più diffuse versioni commerciali
dei fast Spice si possono annoverare
Adit, Ultrasim, NanoSim, e HSIM.
I tool più sofisticati per applicazioni
mixed-signal, come quelli di Cadence
Design Systems e di Mentor Graphics
(Fig. 2) abbinano una tecnologia in
grado di simulare netlist con transistor
ed entrambi i linguaggi standard per le
porzioni digitali e analogiche/mixedsignal. Ciò consente di effettuare una
verifica multi-livello in cui il percorso
Fig. 2 - Flusso di simulazione mixedsignal mediante modellizzazione comportamentale VHDL-AMS dei blocchi
analogici e Questa ADMS di Mentor
Graphics; questo approccio ha ridotto
il tempo di simulazione per un progetto mixed-signal da oltre 16 ore a 3,7
secondi
critico sotto l’aspetto funzionale viene
rappresentato a livello dei transistor,
mentre gli altri blocchi del progetto
vengono rappresentati come modelli
comportamentali ad alto livello. Con
questo approccio, inoltre, i modelli
comportamentali creati durante la fase
di progettazione top-down sono potenzialmente riutilizzabili per la fase di
verifica bottom-up.
I progettisti digitali a scuola
di analogica
La progettazione transistor-level è complessa. Sia che si tratti di un progetto di
circuito integrato di tipo analogico/mixed-signal, digitale custom, oppure di
memoria, è necessario prendere in con-
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siderazione contemporaneamente una
quantità enorme di elementi progettuali.
Devono essere tenute nella giusta considerazione decine di specifiche, condizioni ambientali, variazioni di processo nel
caso peggiore (process corner) e variabilità statistiche a livello globale e locale.
I quesiti sono numerosi: tutti i pezzi
combaciano a livello top? Risultano accurati dal punto di vista funzionale? Come
si verifica l’intero progetto? Quali tool o
metodologie sono in grado di produrre
le netlist comprensive di componenti
parassiti a livello dell’intero chip? Nel
caso sia producibile, quale tool può essere in grado di simularlo?
Senza dubbio i progettisti digitali, sui
quali generalmente ricade l’onere della
verifica dell’intero chip, richiedono
un’automatizzazione completa per quanto riguarda la sezione analogica/mixedsignal. Sfortunatamente ciò non è possibile, né oggi né probabilmente mai. I
progettisti digitali insieme ai loro colleghi analogici sono stati messi su una
falsa pista. Da parte di studiosi e di qualche azienda del settore EDA, è stata
proposta una similitudine, profondamente falsa, tra la progettazione analogica e quella digitale. L’idea alla base di
questa analogia si basa sulla possibilità
di descrivere, come accade nel mondo
digitale, un proprio progetto analogico/mixed-signal a un livello molto alto,
a partire dal quale i transistor sarebbero
stati automaticamente implementati. È
stato sperimentato che ciò è assolutamente impossibile per progetti complessi. La sintesi analogica completa di circuiti complessi è una chimera con la tecnologia odierna. Piuttosto, la progettazione analogica è simile alla progettazione di sistema, un processo estremamente creativo, e molti sono convinti che
non potrà mai diventare una mappatura
diretta di equazioni in gate.
Il concetto originale di “sintesi analogica” è stato spinto al punto tale che nel
settore EDA è spuntata una serie di
start-up animate da ottime intenzioni.
90
Fig. 3 – Flusso di progettazione mixed-signal
Purtroppo, si è rivelato impossibile trasformare quel concetto in realtà.
Quindi è giunto il momento di definire
il termine “sintesi analogica” in termini
più restrittivi. Il punto da cui partire è
l’automazione dei layout con l’aiuto di
tool che semplifichino le operazioni di
posizionamento, dimensionamento, analisi delle criticità e l’estrazione di
informazioni.
La soluzione a questo problema nascerà
dall’accettazione del fatto che l’efficacia
della progettazione e della verifica analogica e mixed-signal deriva più dalla
capacità dell’organizzazione di sviluppare e implementare una “metodologia sistematica di progettazione”, che dall’automazione totale end-to-end. Una
migliore automazione del layout analogico è un buon punto di partenza.
Esistono già tool di produzione Mentor
Graphics e Cadence Design Systems
(come anche di varie start-up) in grado
di fornire funzionalità di layout analogico automatico, che aiutano sia nella
creazione dei nuovi progetti sia nella
generazione di un nuovo layout, incor-
porando la tecnologia target di processo e le dimensioni target dei transistor.
Si tratta di una “sintesi analogica”
senza dubbio ridimensionata ma dalle
interessanti funzionalità.
Progettazione analogica
e digitale in parallelo
Sebbene occupino una piccola frazione
della superficie totale del dispositivo, le
problematiche riguardanti la progettazione analogica e mixed-signal continueranno a richiedere enormi risorse
nel corso della progettazione del chip.
Un numero sempre crescente di system-on-a-chip contiene funzionalità
analogiche e mixed-signal, e i progetti
digitali dovranno confrontarsi con un
numero sempre crescente di I/O analogici, di core IP (Intellectual Property) e librerie. Di conseguenza i flussi
dei tool di progettazione tradizionali
costringono i progettisti a sviluppare i
sottosistemi analogico e digitale in
maniera indipendente, rimandando la
fase di integrazione al momento del
layout del circuito integrato e il testing
fino a dopo la produzione. I chip più
semplici, che prevedono solamente
interazioni analogico/digitali unidirezionali, possono probabilmente essere
verificati in modo efficace anche con
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flussi di simulazione separati. Per i chip più complessi,
invece, l’individuazione degli errori di progetto prima
del tape-out richiede l’uso dei più avanzati tool di simulazione mixed-signal. In questo caso è necessaria la
presenza di una vera piattaforma per la verifica mixedsignal che utilizzi linguaggi standard mixed-signal,
pur all’interno di un ambiente di simulazione unificato.
I progettisti devono essere in grado di abbinare codice VHDL-AMS con Verilog-AMS, VHDL, Verilog, SystemVerilog, SPICE e SystemC ovunque risulti necessario e a ogni livello del progetto. Ciò permette la
simulazione concorrente di blocchi analogici descritti
in modelli transistor-level, come anche in modelli
Verilog-AMS e VHDL-AMS, gli stessi linguaggi comportamentali analogici utilizzati nel corso della fase di
progettazione top-down (Fig. 3).
Una suite di tool di questo tipo è Questa ADMS di
Mentor; essa mette a disposizione dei progettisti un
ambiente completo per la verifica di progetti complessi System-on-Chip analogici e mixed-signal. QuestaADMS integra, in un unico efficiente strumento, quattro distinti motori di simulazione a elevate prestazioni:
Eldo per le simulazioni sia analogiche sia general purpose, Questa per le simulazioni digitali, ADiT per
simulazioni transistor-level veloci ed Eldo-RF per le
simulazioni con segnali modulati stabili.
In definitiva, i progetti SoC analogici e mixed-signal
sono caratterizzati da una correlazione sempre più
stretta di funzioni analogiche e digitali. Tali progetti
dipendono in misura crescente da blocchi analogici
integrati, come convertitori A/D e D/A, PLL e filtri
adattativi. I flussi dei tool tradizionali costringono i
progettisti a sviluppare i sottosistemi analogico e digitale in modo indipendente, rimandandone l’integrazione fino al momento del layout dell’IC, e il testing fino
a dopo la produzione.
Il miglioramento della progettazione e della verifica
analogica e mixed-signal comporta il passaggio a una
metodologia di progettazione mixed-signal e l’implementazione di una reale simulazione mixed-signal, in
grado di supportare VHDL-AMS, Verilog-AMS, VHDL,
Verilog, SystemVerilog, SPICE e SystemC ovunque e a
qualsiasi livello del progetto.
Tutto ciò, ovviamente, all’interno di un singolo
ambiente di simulazione unificato.
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