Simulation schneller Signale IBIS AMI oder SPICE – was eignet sich besser?

Die Geschwindigkeit heutiger Kommunikationssysteme macht es für die Ingenieure zu einer Herausforderung, diese korrekt zu simulieren. Es konkurrieren zwei Lösungen: der De-facto-Standard »SPICE« und neuerdings »IBIS AMI«. Was ist nun besser geeignet?

Von Rick Zarr, Texas Instruments

Um sicherzustellen, dass moderne Kommunikationssysteme mit ihrer stetig steigenden Übertragungsgeschwindigkeit schon vor der Herstellung der Leiterplatte mit großer Wahrscheinlichkeit korrekt funktionieren, bedienen sich die Entwickler der Modellierung. Diese kann allerdings äußerst komplex sein.

In der Kommunikationstechnik gibt es zwei konkurrierende Lösungen, um das Verhalten der Geräte sowie der von ihnen angesteuerten Kanäle zu simulieren. Zum einen handelt es sich dabei um SPICE, den von einem Großteil der Simulatoren auf der Welt unterstützten De-facto-Standard. Als Newcomer gibt es ferner die »IBIS Algorithmic Model Application Program Interface Models«. Dabei handelt es sich um eine Ergänzung der Input-output Buffer Information Specification (IBIS), die eine analoge Modellierung der Ein- und Ausgänge einschließt.

Im Folgenden sollen die grundlegenden Unterschiede zwischen diesen Modellierungssystemen beschrieben und die wichtigsten Vorteile beider Lösungen bei der Simulation schneller Kommunikationskanäle speziell aus Sicht des Systems identifiziert werden.

In den 1960er Jahren vergab das US-Verteidigungsministerium Aufträge zur Entwicklung von Software, welche die Strahlungsfestigkeit von Schaltungen simulieren sollte. Die damaligen politischen Verhältnisse führten zur Entwicklung von nicht dem Verteidigungsministerium unterstellten Simulatoren wie »CANCER« (Computer Analysis Of Nonlinear Circuits, Excluding Radiation). Diese Software wurde an der Universität von Kalifornien in Berkeley von Professor Ronald Rohrer und seinen Studenten entwickelt, unter ihnen Laurence Nagel. Rohrers Nachfolger überzeugte Nagel davon, das CANCER-Programm umzuschreiben, um die proprietären Informationen zu entfernen und den neuen Simulator allgemein anzubieten.

Die Geburtsstunde von SPICE

Im Jahr 1973 schließlich präsentierte Laurence Nagel auf einem Kongress sein »Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis« (SPICE). Wegen gewisser Einschränkungen fand dieses jedoch keine allgemeine Akzeptanz, bis im Jahr 1975 »SPICE2« vorgestellt wurde. Diese frühen Versionen waren noch in FORTRAN geschrieben. Erst 1983 wurde das Programm in C umgeschrieben, und zwar von Thomas Quarles unter Anleitung von Arthur Richard Newton, Direktor des College of Engineering an der Universität von Kalifornien. Diese neue Version behielt die Syntax ihrer Vorgänger bei und enthielt zusätzlich Unterstützung für das grafische X Windows-System. Dieser quelloffene Simulator wurde öffentlich zugänglich gemacht. Aus ihm gingen viele moderne kommerzielle und nicht-kommerzielle Simulatoren auf Basis der SPICE-Syntax hervor.

SPICE-Simulationen können proprietäre Informationen enthalten, da sie die tatsächliche simulierte Schaltung repräsentieren. Mit SPICE lässt sich die Performance einer Schaltung hervorragend simulieren, allerdings kann sehr viel Rechenzeit erforderlich sein, wenn die Zahl der Transistoren in der Schaltung extrem groß ist. Dies ist auch ein Problem, wenn es um das Modellieren von Systemeigenschaften wie etwa der Bitfehlerrate (Bit Error Rate; BER) von Kommunikationskanälen geht. Hier muss nämlich die Simulation so lange laufen, bis eine große Zahl (potenziell Millionen) von Bits verarbeitet wurde.

Die Geburtsstunde von SPICE

Rick Zarr, Texas Instruments