Spectre X RF在大規模RFIC設計中的應用

郭錫韌 ，曾 義

（1.深圳市中興微電子技術有限公司，廣東 深圳 518055；2.上海楷登電子科技有限公司，上海 200120）

0 引言

隨著模擬電路復雜性增大以及工藝尺寸不斷減小，寄生規模不斷增大。模擬下變頻電路是通信鏈路中的接收機模塊的重要電路模塊，其中包含的射頻前端電路，在設計過程中，代入后仿寄生參數后，還需要進行多次RF 仿真。仿真速度對設計影響較大，另一方面，受限于服務器性能限制，無法滿足部分大規模小尺寸模擬射頻電路內存需求。

Spectre X RF 仿真器是Cadence 于2020 年推出的新一代仿真器，能提升仿真速度、優化內存，能有效解決目前射頻前端RF 仿真中仿真速度過慢、服務器性能需求過高的問題。

在應用Spectre X RF 之前，需對其進行評估，本文在三個主流工藝下，在模擬下變頻模塊中，對比Spectre APS RF 和Spectre X RF的精度、內存和速度。

1 模擬下變頻電路

模擬下變頻電路是通信系統中接收機模塊中的重要模塊，如圖1 所示，本文中使用的模擬下變頻電路包括射頻前端以及后端中頻模塊，主要包括混頻器、放大器、濾波器等結構。

圖1 模擬下變頻模塊結構圖

LO 信號為方波信號，在hb 仿真過程中，為了得到符合設計需求的精度，通常需要設置比較大的諧波數，導致速度過慢、內存需求過大。

隨著電路性能需求的提升，模擬下變頻電路規模不斷增大，仿真器的精度和性能需求也隨之提升。

OIP3（Output third Intercept Point）為射頻電路系統中衡量線性度的重要指標。常規射頻系統仿真中，得到OIP3有兩種方法：hb+hbac，小信號輸入，hbac 使用Rapid IP3模式；hb，LO 信號與雙音信號交調。

本文利用OIP3 進行精度分析，在不同工藝中分別使用了兩種常用仿真形式中的一種。

2 Spectre X RF

Spectre X RF 仿真器是Cadence 于2020 年推出的新一代仿真器，目的是解決使用Spectre APS 對大寄生射頻電路仿真中內存過高、速度慢的問題。理論上與Spectre APS RF 精度相當，速度提高2～3 倍，內存減小。

Spectre X RF的使用模式與Spectre X 一致，對比Spectre APS的使用模式，Spectre X RF/X 更為簡單，圖2 為其不同模式的簡要說明。對于一般的模擬射頻電路，Cadence推薦使用Cx/Ax/Mx。本文使用了Cx、Ax、Mx 三種模式，APS RF 相應的模式為Conservatice/Moderate 和+postlayout=hpa/upa。

圖2 Spectre X RF 使用模式說明

3 仿真結果

本文對比了TSMC 28 nm、SMIC 14 nm、TSMC 7 nm三種工藝中的Spectre X RF 與Spectre APS RF的速度、內存以及實際需求中性能參數的仿真精度。三種工藝中均使用接收機射頻前端，即模擬下變頻電路。

3.1 TSMC 28 nm

TSMC 28 nm工藝環境中，仿真使用的電路規模為1.971M N，103k bsim 4，5.616M C，2.573M R。Spectre APS RF 與Spectre X RF 均使用了16 線程。

對TSMC 28 nm工藝的模擬下變頻電路做了hb+hbac仿真，hb 仿真中，為滿足精度需求，LO 信號的諧波數與過采樣因子分別設為15 與2，hbac 使用Rapid IP3 模式。APS+Conservative+UPA 仿真結果如圖3 所示。

圖3 TSMC 28 nm hbac Rapid IP3 仿真結果

TSMC 28 nm工藝中，Spectre APS RF 與Spectre X RF 仿真性能對比如表1 所示，其中，Spectre APS RF 使用Conservative、Moderate 兩種精度，內存優化選擇UPA（Ultra Precision Analog）與HPA（High Precision Analog）；Spectre X RF使用CX、AX、MX 三種模式。精度為OIP3 相對于Conservative+UPA OIP3 偏差值。

表1 TSMC 28 nm工藝仿真對比

從表中可看出，在TSMC 28 nm工藝中，Spectre X RF 對內存優化不太明顯，僅在UPA 內存優化模式中，內存相對較大，運行時間相對較長。具體內存優化與運行時間優化如表5 所示。

以APS RF Conservative+UPA 作為標準，精度最低為Spectre X RF+MX，為98.87%，在射頻電路系統中，為可接受的誤差值。

以APS RF Conservative+UPA 運行時間為基準，Spectre X RF 整體提速約7 倍，以常用的Convervative+HPA 為基準，整體提速約2 倍多。

3.2 SMIC 14 nm

SMIC 14 nm工藝環境中，仿真使用的電路規模為0.388M N，82k bsimcmg，0.639 M C，1.03 M R。Spectre APS RF 與Spectre X RF 均使用了16 線程。

此工藝中使用了hb LO 信號與雙音信號交調方式仿真OIP3，輸入信號為頻率相差1 MHz的雙音信號，LO信號的諧波數與過采樣因子為15 與2，雙音信號的諧波數與過采樣因子均為5 與1，各模式的時域輸出波形如圖4 所示。

圖4 SMIC 14 nm 時域輸出波形對比

各模式的頻域輸出波形如圖5 所示。

圖5 SMIC 14 nm 頻域輸出波形對比

SMIC 14 nm工藝中，Spectre APS RF 與Spectre X RF仿真性能對比如表2 所示，各仿真器使用模式與TSMC 28 nm 一致。

表2 SMIC 14 nm工藝仿真對比

在SMIC 14 nm工藝中，Spectre X RF 內存優化不太理想，運行時間有一定的優化，但未達到理論預期。

以Conservative+UPA 作為標準，精度最低為Spectre X RF+MX，為98.40%，在射頻電路系統中，為可接受的誤差值。

Cadence 研發已經在對該電路進行調查研究。

3.3 TSMC 7 nm

TSMC 7 nm工藝環境中，仿真使用的電路規模為994k N，33k bsource_rhim，50k tmibsimcmg，1.4M C，3.761M R。Spectre APS RF 與Spectre X RF 均使用了16 線程。

此工藝中使用了hb LO 信號與雙音信號交調方式仿真OIP3，輸入信號為頻率相差1 MHz的雙音信號，LO信號的諧波數與過采樣因子為15 與2。

在仿真前的內存預估過程中，Spectre APS RF 預計使用內存如表3 所示。仿真使用服務器僅有1.4 TB 內存，無法滿足內存使用需求。

表3 TSMC 7 nm Spectre APS RF 內存預估

Spectre APS RF 中打開lowmems開關，Conservative+HPA 內存減小至1.2 TB。

Spectre X RF的內存預估在服務器性能范圍內，最終使用Spectre X RF 與Spectre APS RF 對電路進行了仿真。圖6 與圖7 分別為TSMC 7 nm工藝中各仿真模式輸出端時域與頻域的波形對比。TSMC 7 nm工藝仿真對比如表4 所示。

圖6 TSMC 7 nm 時域輸出波形對比

圖7 TSMC 7 nm 頻域輸出波形對比

表4 TSMC 7 nm工藝仿真對比

TSMC 7 nm工藝環境中，Spectre X RF 內存優化、運行時間優化均高于預期，對比于降低內存的APS+Conservative+HPA OIP3 精度保持很好，且提速約4 倍，符合實際項目需求。如果Spectre X RF 也打開lowmem options，運行時間和內存使用應當還能進一步降低。

具體內存優化與運行時間優化如表5 所示。

表5 各工藝仿真對比總結

4 結論

Spectre X RF 作為Cadence 推出的新一代RF 仿真器，默認使用方式相比于APS RF，更為簡單，從而使得電路工程師能更多的聚焦于電路設計。

應用于本文的模擬下變頻電路的仿真中，在TSMC 28 nm、SMIC 14 nm、TSMC 7 nm工藝環境中，內存與運行時間均有一定的優化。在小工藝TSMC 7 nm工藝中，內存與運行時間優化遠超預期。

Spectre X RF 還存在改進空間。另外，Spectre X RF支持的distributed HB 分析對大內存需求的multi-tone HB 仿真幫助很大，但因為時間以及其他原因，本文沒有進行太多的調查研究。