Analogentwurf: List und Tücke

Analoges Design ist ein ziemlich verwickelter und schwerfälliger Prozess. Es braucht einige Zeit, um es zu beherrschen. Digitales Design bringt hohe Einkünfte und zieht mehr Ingenieure an. Deshalb wird weniger Mühe auf die Entwicklung von Tools zur Automatisierung analoger Designprozesse verwandt. Da immer mehr Mixed-Signal-Schaltungen auf einem Chip zum Einsatz kommen, erhöhte sich der Anreiz zur Entwicklung dieser Tools zwar etwas, trotzdem ist die Auswahl von EDA-Tools für Analogdesigner kleiner als für deren »digitale« Kollegen.

Analoges Design ist ein ziemlich verwickelter und schwerfälliger Prozess. Es braucht einige Zeit, um es zu beherrschen. Digitales Design bringt hohe Einkünfte und zieht mehr Ingenieure an. Deshalb wird weniger Mühe auf die Entwicklung von Tools zur Automatisierung analoger Designprozesse verwandt. Da immer mehr Mixed-Signal-Schaltungen auf einem Chip zum Einsatz kommen, erhöhte sich der Anreiz zur Entwicklung dieser Tools zwar etwas, trotzdem ist die Auswahl von EDA-Tools für Analogdesigner kleiner als für deren »digitale« Kollegen.

Digitales wie analoges Design werden beide gut verkauft, aber der analoge Entwurf beruht auf einer größeren Zahl voneinander abhängigen Variablen.

Nicht nur Geschwindigkeit, Leistung und Fläche, sondern auch Bandbreite, Empfindlichkeit bei Spannungsschwankungen, Signalverzerrung und Phasenrauschen sind zu beachten. Beim analogen Design kommt es auf die Auswahl einer optimalen Untermenge von Parametern an, welche der Designer analoger Schaltkreise gewöhnlich auf Grund von Fachkenntnis und langjähriger Erfahrung trifft. Im Gegensatz zu der beim Digitalentwurf üblichen automatischen Überprüfung der Designregeln (DRC), hemmen parasitäre Effekte die analoge Entwicklung. So nutzt der Analogdesigner wenigstens drei, wenn nicht fünf Eckmodelle (TT, FF, SS, FS, SF), um die Auswirkungen von Prozessvariationen zu beurteilen, was mehr als die fünffache Zahl der Simulationen bedeutet, welche für die digitale Aufgabe nötig ist (Bild 1).

Auch mit fünf Eckmodellen stößt die Analyse bald an ihre Grenzen. Man kommt damit nicht sehr weit, um Variationen vorherzusehen, die auf Grund von Toleranzen im Entwurf entstehen. Monte- Carlo-Analyse dient dazu, die beste Zuordnung von Parametern wie Breite, Länge und Widerstand zu bestimmen. Im Analogen sind die SPICESimulationen ständig zu wiederholen, bis – im optimalen Fall – die Ergebnisse den Erwartungen entsprechen. Darüber hinaus sind SPICE-Simulationen nicht so robust oder vertrauenswürdig wie digitale Pendants. Auch ist das Layout komplexer, da Effekte zweiter oder dritter Ordnung miteinbezogen werden müssen; verwiesen sei nur auf die piezoelektrische Eigenschaft von Silizium. Bedingt durch die ungeheuere Vielfalt in analogen Schaltkreisen, Geräten und Verfahren gibt es hier keine Allzwecktools. Bestenfalls gibt es ein paar designspezifische Synthesewerkzeuge. In letzter Konsequenz muss sich der Analogdesigner auf seine Erfahrung verlassen.

DFM und Prozessvarianten

»Design for Manufacturing« (DFM) ist der letzte Schrei in der digitalen Welt, wenn die Abmessungen unter 130 nm schrumpfen. In der Tat hat DFM immer das Leben der Analogdesigner bestimmt. Sie waren immer gezwungen, sich den unangenehmen Realitäten des Herstellungsprozesses und der Parametervariationen zu stellen. Designmigration ist sowohl horizontal wie vertikal schwierig. Analoge Schaltkreise sind weniger skalierbar und haben keine Abstraktionsmodelle. Darüber hinaus nutzen analoge Transistoren Widerstände, die zwischen den Prozessknoten erheblich variieren können. Beim Verkleinern eines analogen Designs lassen sich die Topologie und die oberste Ebene des Designs möglicherweise beibehalten, aber alle Dimensionen im Schaltkreis sind in der Größe anzupassen. Für Vorgänge im »Deep Submicron«-Bereich wird dies noch schwieriger und zeitraubender.

Horizontale Migration von Foundry zu Foundry findet nur zögerlich statt. Analoge Schaltkreise sind besonders fragil, die Designs sind sehr empfindlich in Bezug auf Material und Herstellungsprozess und brauchen sehr viel mehr Zuwendung bei der Übertragung von einer Foundry zur anderen. Foundries unterstützen ihre Kunden, indem sie ihnen eine Vielzahl von Simulationsmodellen zur Verfügung stellen; am bekanntesten sind die BSIM3- und BSIM4-Modelle. Diese Transistormodelle versuchen vorherzusagen, wie der Transistor sich im Silizium verhalten wird, als Basis dienen dabei mathematische oder empirische Gleichungen, welche die Eigenschaften der Schaltung widerspiegeln. Solche Modelle haben natürliche Grenzen, diese fallen bei kleineren Strukturen stärker ins Gewicht.

Zum Beispiel berücksichtigen einige BSIM-Modelle erst seit kurzer Zeit die piezoelektrischen Effekte der Materialbeanspruchung beim Verhalten von MOSFETs. Viele andere Auswirkungen wurden noch nicht erfolgreich implementiert. Universitäten arbeiten daran, die Modelle zu verbessern, insbesondere hinsichtlich des Größeneffekts, um die Gegebenheiten sehr kleiner Transistormaße zu berücksichtigen, Doch auf diesem Gebiet ist noch viel zu tun. Dass diese Transistormodelle 50 oder mehr Parameter besitzen, kompliziert die Aufgabe zusätzlich. Foundries legen die Werte fest, indem sie viele Testchips herstellen und festgelegte Strukturen messen. Bezeichnenderweise sind diese Parameter für digitales Design festgelegt und können bei analogem Design weniger passend sein. Daher müssen Analogentwickler ihre eigenen Testchips erzeugen und die Parameter entsprechend der für sie wichtigen Parameter selber vermessen. »First pass«-Silizium gibt es hier nicht und wird es wohl auch nicht geben.

Parametrisierbare Zellen (Bild 2) können den Entwicklungsablauf beschleunigen. Man könnte sie als analoge Versionen der Standardzellen ansehen, doch kann aus hunderten Zellen ausgewählt werden und nicht nur aus ein paar Versionen jeder Zelle. Eine parametrisierbare NMOS-Zelle kann zum Beispiel das Layout eines NMOS-Transistors mit einer festgelegten Breite, Länge und Fingerzahl erzeugen.