混合信号系统设计遇到的挑战和新兴解决方案

汽车和物联网（IoT）设备的最新进展继续推动当今混合信号设计的复杂性，极大地挑战了混合信号验证。工程师需要从晶体管到芯片再到系统的解决方案，他们还需要更好的方法来提高生产率。本文将研究混合信号系统设计支持的主要趋势，挑战和新兴解决方案，重点是混合信号验证。

采用汽车设计的系统级视图

大约85％的SoC设计启动是混合信号设计，根据IBS，其中许多还需要低功耗。汽车设计可以很好地说明工程师面临更多系统级设计挑战的行业。在过去的几年中，典型的汽车设计将具有简单的微控制器和单个传感器。现在，特别是随着自动驾驶，信息娱乐系统和高级驾驶员辅助系统（ADAS）的兴起，车辆有多个传感器和MCU可能需要相互通信。

在设备级别，这些必须模拟芯片，并验证它们能够在极端环境条件下可靠地运行。在系统级别，车辆必须设计成能够安全地响应所有传感器输入。例如，工程师必须确保传感器数据可以被聚合和分析，以准确显示正在发生的事情，车辆是否需要检测到行走的行人或另一辆车的错误车道变换。供应链中的IP，设计工具和其他组件必须经过认证，以满足车辆功能安全标准，例如ISO 26262。

电源一直不是汽车设计中的大问题，因为汽车电池通常足以提供车载电子设备所需的电力。然而，汽车现在通常包含数百个传感器，通过无线协议实现车内连接，并且还具有冗余传感器和可靠性系统。需要采用更多的低功耗设计技术来降低电子系统的总功耗。配电系统，特别是电动汽车，可能在某些时候需要重新设计，以提供足够的电力来容纳所有这些电源。

汽车行业正在发生的一个令人惊讶的趋势是转变到高级节点SoC。较长的工艺节点长期以来足以用于汽车SoC设计。然而，由于汽车传感器最近聚集了如此多的数据，因此需要功能强大的处理器来分析这些数据并进行实时确定。更重要的是，数据量可能会增长 - 例如，未来的汽车可能需要能够与其他汽车进行通信。高级节点芯片将提供处理速度来支持这一点。

降低物联网设计的能力

物联网设计包含一个广泛的终端设备，都需要连接。功耗是现场传感器和可穿戴设备中非常关键的元素。为了满足严格的低功耗要求，许多工程师正在转向超低功耗设计，亚阈值CMOS设计以及精密电源管理控制系统的集成等技术。这些技术需要在低电压水平下更好地表征器件，并特别注意工艺变化和泄漏功率。代工厂正在开发专门针对超低功耗设计的工艺。

能源收获也是一个充满希望的未来选择。光伏方法是目前最常用的方法。无线电或声波的能量收集仍处于研究阶段。目前，从这些新方法中获取的功率相当低，并且可能不足以用于超低功耗设计。

与汽车一样，物联网设计也受到大量数据的驱动。需要进行汇总和分析。在物联网网关和云服务器中，性能和连接功能对成功至关重要。高级节点进程在提供足够的计算能力方面发挥着重要作用。代工厂不断向低于10纳米的工艺节点发展。但是，高级节点进程只能推送到目前为止。许多工程团队也正在利用2.5D和3D技术，通过先进的包装将芯片与不同技术相结合。这不仅扩展了摩尔定律，而且还可以利用多个工艺节点来优化器件性能。

所有这些方法和技术都会导致更复杂的芯片，封装和电路板验证，并且需要用于更好的分析工具，以确保信号完整性和电源完整性，模型热效应等。从整体上看一个设计（图1），能够用封装和电路板作为整个系统模拟芯片也更为重要。

图1：芯片设计的整体方法 - 考虑到芯片，封装和电路板 - 可以支持更全面的验证过程。

提高混合信号验证效率

通常，混合信号方法需要很长的路程。例如，考虑一家传感器公司，其设计最初可能只有很少的数字组件。随着这些设计变得越来越复杂，设计团队必须处理数字内容的增加。处理与模拟相同的数字内容不仅成本高昂，而且不会产生最佳结果。因此，工程师必须学习新的方法并调整他们的技能。

在工具方面，这种转变涉及合并模拟和数字方法，以支持高质量芯片的设计。虽然没有一种适合所有混合信号设计的通用流程，但有一些基本要点需要考虑。首先，当您可以将模拟和数字两者共同模拟时，前端验证从模拟开始。速度是这里的一个重要目标，但也是一个挑战。在模拟方面，传统上使用SPICE求解器，但对数字端来说速度很慢。在数字方面，验证通常包括整个芯片的功能验证。然而，对于混合信号设计，工程师经常被迫将SPICE引擎插入到功能验证过程中，从而减慢一切。您需要进行回归并且能够每晚运行数千次模拟，但SPICE求解器不支持通过如此大量模拟所需的速度。

我们如何有效地模拟模拟在数字世界？许多人正在转向SystemVerilog实数建模，创建模拟模块的模型，以准确，快速地表示其全芯片验证的行为。虽然此选项可提供速度，但这也意味着熟悉设计的人员应编写模型，然后验证其准确性。因此，模型创建和验证可能成为以模拟为中心的工程师的负担。

然后问题转向：我怎么知道我什么时候完成？提高整体设计质量需要有详细记录的验证计划，这可以帮助您确定何时完全验证您的设计。使用指标驱动的验证方法（图2）以及市场上自动执行验证管理流程的工具之一，您可以跟踪数字方面的验证进度。我做过所有必要的测试了吗？有多少比例的模拟通过并失败了？但是，模拟方面还没有类似的方法。

图2 ：公制驱动的验证方法，当扩展到模拟设计时，可以有利于混合信号设计验证。

需要方法转换

很明显，成功的混合信号芯片验证要求进行方法转换。度量驱动的验证必须扩展到混合信号设计。实数建模成为关键的推动因素。我们也会看到断言在模拟域中被更频繁地采用。最后，验证计划是必须的。所有这些都需要技能和组织协调，组织雇用专门的混合信号验证工程师以及具有模拟行为建模专业知识的工程师。

随着混合信号设计继续变得越来越复杂，显然需要一种方法转变来有效地验证SoC的模拟和数字组件。此外，还需要一个包含芯片，封装和电路板的整体系统级视图，以确保包括汽车和物联网在内的应用领域的高质量芯片。