《HSIM仿真工具研究使用報(bào)告》

《HSIM仿真工具研究階段匯報(bào)》 胡濱2006.1.4張雷鳴修正200710.91）.HSIM簡(jiǎn)介：HSIM（基于Nassda公司的專利層次化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和同構(gòu)匹配算法）是全球第一個(gè)滿足深亞微米設(shè)計(jì)需求的全電路、層次化的晶體管級(jí)仿真器。HSIM可以準(zhǔn)確的仿真電路的各種行為，包括：電路的功能、電壓和電流波形、時(shí)序和功耗信息、電源網(wǎng)絡(luò)的電壓降、串?dāng)_噪聲等。由于采用了創(chuàng)新的層次化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和同構(gòu)匹配算法，HSIM對(duì)仿真的電路規(guī)模幾乎沒(méi)有限制，真正能夠?qū)?HSIM仿真產(chǎn)生影響的決定性因素是仿真的硬件平臺(tái)。因?yàn)殡S著仿真的進(jìn)行，迭代次數(shù)越來(lái)越多，觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)也越來(lái)越大。而想觀察這些觀測(cè)點(diǎn)必須使用第三方軟件，比如debussy，但是第三方軟件支持的觀測(cè)數(shù)據(jù)容量是有限的，因此在使用改軟件進(jìn)行仿真時(shí)應(yīng)該適當(dāng)?shù)目刂品抡娴木扰c觀測(cè)信號(hào)的數(shù)量。目前已知的極限情況是512M內(nèi)存，P43.0配置的機(jī)器在對(duì)DLL仿真時(shí)，如果精度較高可能需要20個(gè)小時(shí)才能完成25us的仿真，需要注意的是DLL中有很多的寄存器單元，而寄存器單元正是在所有仿真軟件中最耗時(shí)的電路。所以建議最好是使用配置較高的雙核 CPU比較大的內(nèi)存來(lái)運(yùn)行HSIM及其仿真波形觀測(cè)軟件debussy。層次化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)免除了仿真器處理電路冗余單元和子電路對(duì)內(nèi)存的需求， 因此HSIM可以容易地做到高容量的全電路仿真；同構(gòu)匹配可以減少對(duì)冗余單元和子電路的計(jì)算量。 目前，該算法已經(jīng)獲得美國(guó)專利。HSIM可以象SPICE一樣用于任何電路的瞬態(tài)掃描、交流掃描、直流掃描和蒙特卡羅分析掃描仿真，而且它比SPICE快很多倍。HSIM的強(qiáng)項(xiàng)在于它維持一定精度和快速的情況下，對(duì)數(shù)以千萬(wàn)計(jì)晶體管的仿真能力。HSIM的用戶可以用它來(lái)對(duì)大的電路模塊、一組電路模塊或者整個(gè)電路做晶體管級(jí)仿真，尤其是對(duì)于包含大量寄存器與存儲(chǔ)器單元的大型電路系統(tǒng)。雖然hsim的精度相對(duì)hspice和其他仿真器要差一些，但是如果只關(guān)注系統(tǒng)在模擬仿真的環(huán)境下的功能是否正確的話還是可以嘗試一下大的，尤其是在包含較大數(shù)字模塊較小模擬模塊的混合信號(hào)系統(tǒng)中使用hsim是具有很大優(yōu)勢(shì)的。因?yàn)镠SIM是根據(jù)1/VLUT的原理來(lái)進(jìn)行工作的，而1/VLUT的有效數(shù)字位數(shù)決定了仿真的精度和速度，這就決定了他在高速的情況下不精確而在精確的情況下不高速的特性。因此對(duì)于hsim而言比較合理的使用方案是先使用nclaunch、Hspice或者Spectre進(jìn)行底層模塊單元的數(shù)字與模擬仿真，得到對(duì)應(yīng)的延遲與

功耗仿真結(jié)果，然后再使用 HSIM進(jìn)行全芯片的模數(shù)混合仿真，驗(yàn)證功能是否正確。HSIM不同于其它同類仿真器之處在于它的全電路仿真器能力免去了用戶煩瑣的劃分子電路的工作。同時(shí)，HSIM也免去了用戶編寫模擬電路高層次模型的工作，這類模型只是在用戶描述電路功能時(shí)有用，而在實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)卻毫無(wú)用處。 HSIM可以高速處理超大容量電路，它保留了接近于SPICE的精度。HSIM在輕微增加CPU時(shí)間的前提下，也可以處理電路的耦合與感應(yīng)現(xiàn)象。它的完美的RC約減能力可以有效地減少布局寄生參數(shù)的數(shù)量。 另外,HSIM的自動(dòng)層次化抽取能力可以自動(dòng)的從 ”打平”的網(wǎng)表中生成層次化網(wǎng)表以用于 HSIM獨(dú)到的層次化仿真?；贜assda專有的技術(shù)，HSIM結(jié)合了全芯片晶體管級(jí)驗(yàn)證所需的特殊技術(shù)，包括：層次化存儲(chǔ)技術(shù)：以減少工作站內(nèi)存和磁盤空間占用，能為當(dāng)今高端的數(shù)百萬(wàn)晶體管級(jí)電路提供一個(gè)高效率的層次化數(shù)據(jù)處理機(jī)制；層次化的 RC精簡(jiǎn)算法：用以在層次化電路數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中壓縮寄生電阻電容的個(gè)數(shù)同時(shí)保持很高的精度；高效的層次化的矩陣方程求解器：使得電路仿真能在實(shí)現(xiàn)層次化的同時(shí)保持 SPICE精度。Hsim支持的仿真格式有verilog、vhdl、spice的網(wǎng)表格式（比如cdl和spi格式，前者只能看到展平后頂層端口的信號(hào)而不能看到模塊內(nèi)部的信號(hào)， 后者則可以根據(jù)需要觀測(cè)任何一級(jí)的信號(hào)），同時(shí)也支持?jǐn)?shù)?；旌戏抡?，還可以通過(guò)文件調(diào)用實(shí)現(xiàn)對(duì)c、verilog等其他語(yǔ)言的調(diào)用。因此hsim是一種非常靈活仿真工具。一般在使用hsim作全芯片的模擬仿真時(shí)，使用spice使用spice格式的網(wǎng)表和語(yǔ)法更為方便。層次化反標(biāo)：使用高效的參數(shù)精簡(jiǎn)技術(shù)，別出今天設(shè)計(jì)中的納米效應(yīng)。今天先進(jìn)的pre-layout層次化網(wǎng)表中，這種方法在保持減少了驗(yàn)證的時(shí)間。全芯片的SPICE精度晶體管級(jí)分析方法能夠識(shí)post-layout工具能夠把寄生參數(shù)反標(biāo)到SPICE精度的同時(shí)顯著得增加了驗(yàn)證的能力和同構(gòu)匹配技術(shù)：Nassda專利的同構(gòu)匹配技術(shù)，能極大得提高仿真性能。使用這種技術(shù)，仿真器對(duì)于重復(fù)的電路元件不再進(jìn)行重復(fù)計(jì)算，這極大得提高了運(yùn)行速度和計(jì)算容量。這種高性能、大容量的仿真能力幫助設(shè)計(jì)隊(duì)伍能進(jìn)行高效的納米設(shè)計(jì)驗(yàn)證。HSIM使用推薦和限制：HSIM推薦在分析電源網(wǎng)絡(luò)的電壓降對(duì)電路性能的影響，進(jìn)行芯片的串?dāng)_分析，以及在帶寄生參數(shù)的全芯片后仿真時(shí)使用。 HSIM并不適用于少于100個(gè)晶體管的電路仿真，也不適用于仿真有很多測(cè)試向量的電路，如果必須要帶很多激勵(lì)，那就用更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)來(lái)縮減仿真時(shí)間。2）.階段使用心得：本次使用軟件為 Nassda公司的HSIMPLUSv5.0，沒(méi)有自帶看波形的工具，于是使用Debussy作為波形顯示工具。需在網(wǎng)表中定義 HSIM輸出文件格式為fsdb，當(dāng)然工具允許的情況下其他形式的輸出格式也是可以的。語(yǔ)法為：.paramhsimoutput=fsdb針對(duì)仿真時(shí)所需要的庫(kù)調(diào)用可以使用參數(shù)HSIMFMODLIB或者使用spice的函數(shù).inc與.LIB來(lái)調(diào)用庫(kù)文件。語(yǔ)法：.paramHSIMFMODLIB”=./log22.l”tt（corner）或.LIB'D:\MPW_csmc\MPW05\h05mixddst02v231.lib'capacitor或.inc'log022.l'tt對(duì)于仿真溫度的設(shè)定可以使用參數(shù).TEMP語(yǔ)法：.TEMP25.0000全局信號(hào)的使用需要調(diào)用參數(shù).global語(yǔ)法：.globalpbvdd!vdd!gnd!需要定義的全局信號(hào)名pbvdd、vdd、gnd對(duì)全局信號(hào)進(jìn)行電平定義可以在仿真文件后面的激勵(lì)列表中給出。語(yǔ)法：vvddvdd!02.5vpbvddpbvdd!02.0注意gnd!不需要給出，因?yàn)槟J(rèn)是參考電位。確定掃描模式與仿真的精度和時(shí)間長(zhǎng)短可以用參數(shù)“.TRAN精度時(shí)間”來(lái)實(shí)現(xiàn)。語(yǔ)法：.TRAN50n1600nHSIM兼容SPICE和SPECTRES式的網(wǎng)表，依靠設(shè)置一些仿真控制參數(shù)達(dá)到精度與速度之間的折衷。語(yǔ)法：.paramHSIMparameter_name=value1HSIMTIMEFORMA決定了CPU輸出時(shí)間的格式。 默認(rèn)為1，此時(shí)是以s為單位的。為2時(shí)以m為單位，為3時(shí)為m/s，為4時(shí)為h，為7時(shí)為h/m/s，為8時(shí)為dayshsimspeed：數(shù)值可選0到8之間的整數(shù)，可在頂層或子模塊中設(shè)置。Hsimspeed=O，仿真結(jié)果與SPICE結(jié)果非常匹配，推薦在仿真小于1000個(gè)元件的小型模擬電路時(shí)使用。Hsimspeed=1，速度比0有很大提高，但精度損失非常小，特別是在大型電路仿真中。需要指出的是，在兩種情況下，設(shè)置速度1會(huì)損失很多精度：一是對(duì)漏電流的仿真，二是對(duì)很低電源電壓的電路模擬。Hsimspeed=2，速度進(jìn)一步提高，精度損失很小。Hsimspeed=3，缺省值，由于對(duì)于不同模塊設(shè)置了不同的步長(zhǎng)，總的步長(zhǎng)數(shù)減少，速度自然提高，精度的區(qū)別在于仿真高敏感度的模擬電路。一般情況下，并不需要把速度值設(shè)置小于3，可利用hsimanalog控制模擬電路精度。Hsimspeed=4，建議仿真數(shù)字電路，存儲(chǔ)器電路，低敏感度模擬電路。Hsimspeed=5，建議使用在存儲(chǔ)器和混合信號(hào)電路功能驗(yàn)證，仿真速度的提升會(huì)帶來(lái)5-10%的時(shí)延誤差。Hsimspeed=6，建議使用在數(shù)字電路或低敏感度模擬電路的功能驗(yàn)證。Hsimspeed=7，與6類似，也可用于ROM和CAM的驗(yàn)證。Hsimspeed=8，建議使用在混合信號(hào)或 Flash存儲(chǔ)器電路功能驗(yàn)證。包含兩種子模式，hsimspeed=8.4和hsimspeed=8.8可以使速度更快，特別適用于包含電壓調(diào)整和電荷泵的電路。hsimstep2taumax：如果hsimstep2taumax=1，則.tran命令中的步長(zhǎng)值將作為hsimtaumax的值（hsimtaumax是hsim中定義的最大步長(zhǎng)值），也就是說(shuō)，當(dāng)此參數(shù)為0時(shí)，.tran中定義的步長(zhǎng)值并不影響hsim的仿真速度。hsimpostl:后仿真中寄生RC網(wǎng)絡(luò)是降低仿真速度的主要原因，因此在hsim中可以設(shè)置hsimpostl來(lái)控制是否以等效的精簡(jiǎn) RC網(wǎng)絡(luò)來(lái)替代繁雜的寄生 RC網(wǎng)絡(luò)。缺省值是0,并沒(méi)有精簡(jiǎn)RC值為1、2、3時(shí)，后仿真的速度遞增，可視情況設(shè)置。此參數(shù)可對(duì)頂層也可對(duì)子?？爝M(jìn)行設(shè)置。hsimanalog:為了優(yōu)化hsim在模擬和混合信號(hào)仿真中的性能,可以設(shè)置此參數(shù)控制模擬電路仿真算法的復(fù)雜度,值越高,模擬仿真的算法越精確也越耗時(shí)。如果只是仿真數(shù)字電路,可設(shè)置hsimanalog=-1；如果仿真全定制或存儲(chǔ)器電路,可設(shè)置hsimanalog=0或1；如果仿真帶隙基準(zhǔn)電壓發(fā)生電路、高增益放大器、 VCO開(kāi)關(guān)電容濾波器、鎖相環(huán)、 A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路,建議設(shè)置hsimanalog=2；設(shè)置為3是最精確最耗時(shí)的。此參數(shù)可對(duì)頂層也可對(duì)子模快進(jìn)行設(shè)置。hsimspice:此參數(shù)確定在hsim仿真中MOSFE模型的復(fù)雜度，因此可以調(diào)低此參數(shù)值提高仿真速度。Hsimspice=0是缺省值,對(duì)某些敏感于小電壓變化的電路有小的精度損失。最大值為3,也是最高精度,hsim會(huì)計(jì)算柵/漏/源/襯底之間的耦合效應(yīng), 相應(yīng)速度會(huì)減慢。仿真測(cè)試網(wǎng)表（HSPICE格式）：320*240ROIC數(shù)字部分寄生參數(shù)后仿真網(wǎng)表；bq24020前仿真網(wǎng)表（純模擬）。在對(duì)ROIC的后仿真中，由于是全定制的數(shù)字電路，以及重復(fù)單元比較多，因此采用缺省設(shè)置的hsim仿真速度比hspice快幾倍,如果設(shè)置hsimpeed=8.8,則又會(huì)提高幾倍速度,另一個(gè)提高速度的方法是設(shè)置 另一個(gè)提高速度的方法是設(shè)置 hsimpostl=3，可以將RC網(wǎng)絡(luò)精簡(jiǎn)70%在對(duì)bq24020前仿真中，由于是全定制的模擬電路，幾乎沒(méi)有重復(fù)單元，因此采用缺省設(shè)置的hsim仿真速度并沒(méi)有比hspice快，而且hspice可以依靠設(shè)置大的步長(zhǎng)值來(lái)提高速度，但是hsim中用hsimstep2taumax引入步長(zhǎng)對(duì)模擬電路速度沒(méi)有太大提高，而設(shè)置hsimspeed可以提高速度，但感覺(jué)在這個(gè)模擬電路的前仿真中，hsim的速度并沒(méi)有比hspice有太大優(yōu)勢(shì)。.遇到的問(wèn)題：應(yīng)該測(cè)試不同規(guī)模、不同類型(模擬，數(shù)字，混合信號(hào))的電路，并與相應(yīng)的 hspice及spectre仿真進(jìn)行比較，包含精度和速度的比較，所以試驗(yàn)應(yīng)該增加多的樣本。由于我現(xiàn)在使用的版本是網(wǎng)上下載的版本，有些功能沒(méi)有l(wèi)icense支持，所以需要尋找更全面的hsim版本。在bq24020仿真中發(fā)現(xiàn)hsim結(jié)果與hspice結(jié)果不一致，說(shuō)明hsim中的設(shè)置與hspice仿真的設(shè)置或語(yǔ)法仍有不同的地方，有待查證。hsim提供層次化的反標(biāo)和同構(gòu)匹配的提速方法，這就需要我們的電路設(shè)計(jì)具有較好的層次性，也需要有后端工具來(lái)提供可層次化反標(biāo)的版圖寄生網(wǎng)絡(luò)，才可以使 hsim發(fā)揮最大性能。層次化反標(biāo)功能有待研究。.小結(jié)：由于是首次接觸hsim仿真工具，因此本階段研究主要集中在調(diào)研hsim資料和初步使用上。Hsim可以提高仿真速度，但仍需在速度和精度之間折衷，視具體情況不同而采取不同的參數(shù)設(shè)置，可以先用最快速度粗略的仿真一次，盡快查找錯(cuò)誤和調(diào)試電路，然后再使用精確的仿真驗(yàn)證。Hsim的優(yōu)勢(shì)應(yīng)該在于VLSI全芯片級(jí)后仿真，可針對(duì)一些由于規(guī)模太大而無(wú)法全面仿真帶寄生參數(shù)的芯片級(jí)驗(yàn)證的電路。總之， hsim對(duì)后端驗(yàn)證很有幫助，可以進(jìn)一步研究。.Hsim語(yǔ)法小結(jié)a.激勵(lì)的表示：分段線性源：一般形式：PWL<(>t1v1<t2v2t3v3...><R<=repeat>><TD=delay><)>其中：v1...電流或電壓值。t1...分段點(diǎn)時(shí)間。R定義分段重復(fù)功能repeat定義分段重復(fù)的波形起始點(diǎn)TD定義實(shí)際分段線性開(kāi)始前的延遲時(shí)間的關(guān)鍵字delay規(guī)定了分段線性的延遲時(shí)間**例如：vEN_PAEN_PA0pwl(02.533n2.533.01n0)信號(hào)名正節(jié)點(diǎn)參考點(diǎn)激勵(lì)信號(hào)類型起始時(shí)間電壓值33ns電壓值33.01ns電壓值信號(hào)名正節(jié)點(diǎn)b.脈沖源一般形式：PULSE<(>V1V2<td<tr<tf<pw<per>>>><)>或：PU<(><V1V2<td<tr<tf<pw<per>>>><)>其中：V1:脈沖源開(kāi)始前的初始值V2:脈動(dòng)值td:第一個(gè)脈沖開(kāi)始前的延遲時(shí)間，缺省值為0.0tr:脈沖上升時(shí)間，缺省值為TSTEPtf:脈沖下降時(shí)間，缺省值為TSTEPpw:脈沖寬度，缺省值為TSTEPper:脈沖周期，缺省值為TSTEP****例如：vCK_PACK_PA0pulse(2.5032n10p10p4.6n5n)****例如：vCK_PACK_PA0pulse(2.5032n10p10p4.6n5n)周期名正節(jié)點(diǎn)參考節(jié)點(diǎn)信號(hào)類型第一第二延遲時(shí)間上升時(shí)間下降時(shí)間脈沖電壓電壓寬度脈沖周期獨(dú)立電壓源V和獨(dú)立電流源I一般形式：VXXXn+n—<<DC=>dcval><tranfun>+<AC=acmag,<acphase>>或IYYYn+n—<<DC=>dcval><tranfun>+<AC=acmag,<acphase>>其中：VXXX:獨(dú)立電壓源名。必須以“V”開(kāi)始，后面字符串不得超過(guò) 15個(gè)字符。IYYY:獨(dú)立電流源名。必須以“ I”開(kāi)始，后面字符串不得超過(guò) 15個(gè)字符。n+/n—:電源的正負(fù)節(jié)點(diǎn)，電流源的電流正方向是使電流從 n+節(jié)點(diǎn)流出，經(jīng)過(guò)電流源流入n-節(jié)點(diǎn)。正的電壓源是使電流從 n+節(jié)點(diǎn)流出，通過(guò)電壓源流入n-節(jié)點(diǎn)。注意電源不必接地。若將零值的電壓源接到電路某支路中，這樣可得到流經(jīng)該支路的電流值。零值電壓源就是短路線，所以不影響電路的工作。DC:電源直流值tranfun: 電源的瞬態(tài)功能AC:表示電源用來(lái)作交流小信號(hào)分析acmag:交流幅度acphase:交流初相位（缺省值為0.0）M:電流源并聯(lián)數(shù)（缺省值為1.0）**例如：vOE_WOE_W0 2.5信號(hào)名 正節(jié)點(diǎn)參考結(jié)點(diǎn) 信號(hào)電壓值vVDDVDD2.5信號(hào)名 正節(jié)點(diǎn) 參考節(jié)點(diǎn) 信號(hào)電壓值信號(hào)名 正節(jié)點(diǎn) 參考節(jié)點(diǎn) 信號(hào)電壓值觀察信號(hào)若要觀察每個(gè)端口的電壓值，或要觀察某個(gè)點(diǎn)的電流值，使用下面的函數(shù)：.printtranv/i()v/i()v/i()v/i()...若要觀察到某一層的所有信號(hào)：.printtranv(*)level=n(n=1,2,3,4 表示自頂向下的層數(shù))。若觀察某一個(gè)模塊某個(gè)管腳的信號(hào)：.printtranv/i(模塊名.模塊名.管腳名)反相器中各MOS管的描述:.ENDSB_INV_55_28_G35.ENDSB_INV_55_28_G35.SUBCKTB_INV_55_28_G35AZN子電路開(kāi)語(yǔ)句電路名稱輸入輸出M0ZNAGND!GND!NCHL=240E-9W=2.8E-6元件名漏極節(jié)點(diǎn)電位柵極結(jié)點(diǎn)電位源極襯底模型參考名溝道長(zhǎng)度溝道寬度M1ZNAVDD!VDD!PCHL=240E-9W=5.5E-6子電路終止語(yǔ)句子電路名必須加的文件BN.spspicefile仿真文件名.inc'log022.l'tt.inc庫(kù)文件拐點(diǎn)注釋語(yǔ)句: *<commentonalinebyitself>s使用*表示本行為注釋，行結(jié)束注釋結(jié)束例如:*ENDOFSUBCIRCUITDEFINITION.元