Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Cet article traite des méthodes de simulation des circuits électroniques. Suite à l’accroissement des tailles de circuits, ces méthodes répondent aux problématiques de précision tout en améliorant la rentabilité. L’analyse de bruit transitoire est destinée à étudier les perturbations sur des blocs tels que des PLL. Les analyses électrothermiques et le vieillissement se préoccupent de la fiabilité et la robustesse du circuit, tandis que les analyses de Monte-Carlo et de sensibilité s’attachent à évaluer les effets de dispersion des paramètres. La complexité des circuits devenant critique, des méthodes permettant d’augmenter les performances, en vitesse et en capacité des simulateurs sont aussi présentées.
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This article discusses advanced methods of electronic circuits simulation. In the context of increasing circuit sizes, the methods described meet the requirements of precision while improving economic gain. Among the methods presented, transient noise analysis is intended to study the impact of disturbances on useful signals of blocks such as PLLs. Aging and electrothermal analyses are concerned with factors affecting the reliability of the circuit, while Monte Carlo and sensitivity analyses focus on the evaluation of the dispersion effects of the parameters. The complexity of the circuits becoming more critical, methods increasing the speed and capacity of the simulators are also presented.
Auteur(s)
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Pascal BOLCATO : Engineering director, Analog and RF Simulation - Siemens Electronic Design Automation, Montbonnot, France
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Dezaï GLAO : Principal engineer, Analog and mixed-signal Simulation - Siemens Electronic Design Automation, Montbonnot, France
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Xavier JONSSON : R&D engineer, Specialist Statistics and Optimization - Siemens Electronic Design Automation, Montbonnot, France
INTRODUCTION
Le marché des puces électroniques continue sa forte expansion du fait de l’augmentation entre autres, de la demande pour des dispositifs électroniques de communication, des moyens de transports autonomes, des objets connectés, du traitement des donnés en masse (big data) et de l’internet des objets.
Cette demande a conduit, pendant des décennies, à une course à la miniaturisation des transistors qui a eu, pour effets bénéfiques, une augmentation des puissances de calcul tout en réduisant la taille, la consommation et les coûts unitaires dans un cercle vertueux entraînant investissements et fortes rentabilités. Cependant, la poursuite de cette stratégie agressive de réduction d’échelle et particulièrement la descente dans les dimensions nanométriques, révèlent de nouveaux défis et poussent les outils de conception et de vérification à se réinventer. Les tailles des circuits à simuler, compte tenu de l’augmentation du nombre de composants et des interconnexions, deviennent critiques. Les densités surfaciques de puissances dissipées deviennent si importantes, que leurs impacts sur le fonctionnement des dispositifs et leur durée de vie doivent être efficacement pris en compte. Cela est vrai pour toutes les applications de l’électronique, mais reste un sujet sensible particulièrement dans les applications des transports, du médical ou du militaire, pour lesquelles la fiabilité est un facteur de premier ordre. De même, la sensibilité aux variations des process de fabrication devient si importante que sa prise en compte est un facteur clé pour la réduction des coûts de production. Un autre effet de la descente dans les dimensions nanométriques est celui de l’augmentation de façon drastique des coûts de production, compte tenu de la complexité des procédés de fabrication eux-mêmes, poussant les industriels à investir en masse dans les unités de production, dans le but de réduire les coûts unitaires.
C’est dans ce contexte que cet article vient exposer comment le simulateur AMS/RF, présent aussi bien dans les phases de conception que dans celles de vérification des circuits, est un facteur déterminant sur le plan économique, pour réduire les temps de mise sur le marché et pour garantir la robustesse et la fiabilité, tout en améliorant les rendements de production. Cet article s’intéresse donc aux méthodes d’accélération des performances du simulateur AMS/RF, puis aux méthodes statistiques d’analyse de la variabilité du process, et finalement aux méthodes permettant d’obtenir une conception de circuits fiables et robustes. De l’efficacité de ces méthodes dépend en partie la possibilité de pouvoir continuer la miniaturisation qui augmente les performances tout en baissant la consommation et les prix de revient unitaires.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des sigles utilisés.
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KEYWORDS
simulation | sensitivity | reliability | fast-spice | electrothermal | aging | Monte-Carlo
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Techniques d’amélioration de performance
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2. Fonctionnalités avancées en simulation des circuits
2.1 Analyse de bruit dans le domaine temporel (transient noise)
Le but d’un circuit électronique est de traiter un signal contenant une information utile. Ce signal peut contenir des perturbations introduites par l’environnement (hors circuit) ou par le fonctionnement du circuit lui-même. Afin de garantir le bon fonctionnement du circuit, il peut être nécessaire de contrôler ou au moins de quantifier ces perturbations qui sont de natures et d'origines diverses ; elles peuvent être déterministes ou aléatoires.
Dans ce paragraphe, nous nous intéressons aux perturbations aléatoires introduites par le bruit physique généré par les composants des circuits analysés. Ce bruit tire son origine de la nature granulaire du courant électrique, il est influencé par la température, certains paramètres de composants, ou même la polarisation ou la zone de fonctionnement du composant. Alors même que la valeur instantanée des sources physiques de bruit est aléatoire, leurs deux premiers moments (au sens statistique du terme : espérance, variance) sont connus ou du moins peuvent être correctement modélisés. Chaque source de bruit est caractérisée, dans le domaine fréquentiel, par son modèle de Densité Spectrale de Puissance (PSD ou appelé communément spectre de bruit). Certains bruits ont un spectre blanc (constant en fonction de la fréquence) : bruit thermique et bruit de grenaille (shot noise) ; d’autres ont un spectre rose (inversement proportionnel à la fréquence ∼ 1/f) : bruit de scintillement (flicker noise).
Pour rentrer un peu plus dans les détails :
-
le bruit thermique est lié à la partie résistive des composants ; sa PSD est fonction de la résistance et est proportionnelle à la température. Pour les composants non linéaires (transistors MOS), l’expression du modèle de la PSD est fonction de la zone de fonctionnement du transistor et de sa polarisation (figure 1) ;
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le bruit Schottky (shot noise) est associé au courant convectif traversant une jonction. Ce bruit sera donc généré par les diodes et transistors bipolaires et l’équation du modèle sera proportionnelle au courant de jonction ;
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le bruit de scintillement se retrouve dans la plupart des composants électroniques. Il existe plusieurs sources de bruit en 1/f, mais...
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Fonctionnalités avancées en simulation des circuits
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ROHER (R.), NAGEL (L.), MEYER (R.), WEBER (L.) - Computationally efficient electronic circuit noise calculations. - IEEE J. Solid-State Circuits, vol. SC-6 (1971).
-
(2) - TELICHEVESKY (R.), KUNDERT (K.), WHITE (J.) - Efficient AC and noise analysis of two-tone RF circuits. - In Proc. IEEE DAC, p. 292-297 (1996).
-
(3) - ROYCHOWDHURY (J.), LONG (D.), FELDMANN (P.) - Cyclostationary noise analysis of large RF circuits with multitone excitations. - IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 33, n° 3, p. 324-336 (1998).
-
(4) - BOLCATO (P.), NALLATAMBY (J.C.), LARCHEVÈQUE (R.), PRIGENT (M.), OBREGON (J.) - Unified approach of PM noise calculation in large RF multitone autonomous circuits. - IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, vol. 1, p. 417-420 (2000).
-
(5) - BOLCATO (P.), TAWFIK (M.S.), POUJOIS (R.), JARRON (P.) - A new efficient transient noise analysis technique for simulation of CCD image sensors or particle detectors. - Proceedings of IEEE Custom Integrated Circuits...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Siemens EDA (AFS, Eldo, Symphony)
Cadence (Spectre, Spectre-RF, Ultrasim, AMS Designer)
Synopsys (Hspice, Hsim/XA, AMS Discovery)
HAUT DE PAGE
Organismes, comités œuvrant pour la standardisation :
IEEE-IRDS : définition de la feuille de route pour la réduction de la taille des transistors.
IEEE : promotion de la connaissance dans le domaine de l'ingénierie électrique.
ACCELERA : standardisation des langages HDL (verilog, vhdl).
CMC : standardisation et promotion de l'utilisation et de l'implémentation des modèles « compacts » de composants.
AEC : Automotive Electronic Council. Définitions Standardisation des méthodes de qualification et de tests des dispositifs électroniques utilisés...
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