Spectre X RF在大规模RFIC设计中的应用

郭锡韧 ，曾 义

（1.深圳市中兴微电子技术有限公司，广东 深圳 518055；2.上海楷登电子科技有限公司，上海 200120）

0 引言

随着模拟电路复杂性增大以及工艺尺寸不断减小，寄生规模不断增大。模拟下变频电路是通信链路中的接收机模块的重要电路模块，其中包含的射频前端电路，在设计过程中，代入后仿寄生参数后，还需要进行多次RF 仿真。仿真速度对设计影响较大，另一方面，受限于服务器性能限制，无法满足部分大规模小尺寸模拟射频电路内存需求。

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、优化内存，能有效解决目前射频前端RF 仿真中仿真速度过慢、服务器性能需求过高的问题。

在应用Spectre X RF 之前，需对其进行评估，本文在三个主流工艺下，在模拟下变频模块中，对比Spectre APS RF 和Spectre X RF的精度、内存和速度。

1 模拟下变频电路

模拟下变频电路是通信系统中接收机模块中的重要模块，如图1 所示，本文中使用的模拟下变频电路包括射频前端以及后端中频模块，主要包括混频器、放大器、滤波器等结构。

图1 模拟下变频模块结构图

LO 信号为方波信号，在hb 仿真过程中，为了得到符合设计需求的精度，通常需要设置比较大的谐波数，导致速度过慢、内存需求过大。

随着电路性能需求的提升，模拟下变频电路规模不断增大，仿真器的精度和性能需求也随之提升。

OIP3（Output third Intercept Point）为射频电路系统中衡量线性度的重要指标。常规射频系统仿真中，得到OIP3有两种方法：hb+hbac，小信号输入，hbac 使用Rapid IP3模式；hb，LO 信号与双音信号交调。

本文利用OIP3 进行精度分析，在不同工艺中分别使用了两种常用仿真形式中的一种。

2 Spectre X RF

Spectre X RF 仿真器是Cadence 于2020 年推出的新一代仿真器，目的是解决使用Spectre APS 对大寄生射频电路仿真中内存过高、速度慢的问题。理论上与Spectre APS RF 精度相当，速度提高2～3 倍，内存减小。

Spectre X RF的使用模式与Spectre X 一致，对比Spectre APS的使用模式，Spectre X RF/X 更为简单，图2 为其不同模式的简要说明。对于一般的模拟射频电路，Cadence推荐使用Cx/Ax/Mx。本文使用了Cx、Ax、Mx 三种模式，APS RF 相应的模式为Conservatice/Moderate 和+postlayout=hpa/upa。

图2 Spectre X RF 使用模式说明

3 仿真结果

本文对比了TSMC 28 nm、SMIC 14 nm、TSMC 7 nm三种工艺中的Spectre X RF 与Spectre APS RF的速度、内存以及实际需求中性能参数的仿真精度。三种工艺中均使用接收机射频前端，即模拟下变频电路。

3.1 TSMC 28 nm

TSMC 28 nm工艺环境中，仿真使用的电路规模为1.971M N，103k bsim 4，5.616M C，2.573M R。Spectre APS RF 与Spectre X RF 均使用了16 线程。

对TSMC 28 nm工艺的模拟下变频电路做了hb+hbac仿真，hb 仿真中，为满足精度需求，LO 信号的谐波数与过采样因子分别设为15 与2，hbac 使用Rapid IP3 模式。APS+Conservative+UPA 仿真结果如图3 所示。

图3 TSMC 28 nm hbac Rapid IP3 仿真结果

TSMC 28 nm工艺中，Spectre APS RF 与Spectre X RF 仿真性能对比如表1 所示，其中，Spectre APS RF 使用Conservative、Moderate 两种精度，内存优化选择UPA（Ultra Precision Analog）与HPA（High Precision Analog）；Spectre X RF使用CX、AX、MX 三种模式。精度为OIP3 相对于Conservative+UPA OIP3 偏差值。

表1 TSMC 28 nm工艺仿真对比

从表中可看出，在TSMC 28 nm工艺中，Spectre X RF 对内存优化不太明显，仅在UPA 内存优化模式中，内存相对较大，运行时间相对较长。具体内存优化与运行时间优化如表5 所示。

以APS RF Conservative+UPA 作为标准，精度最低为Spectre X RF+MX，为98.87%，在射频电路系统中，为可接受的误差值。

以APS RF Conservative+UPA 运行时间为基准，Spectre X RF 整体提速约7 倍，以常用的Convervative+HPA 为基准，整体提速约2 倍多。

3.2 SMIC 14 nm

SMIC 14 nm工艺环境中，仿真使用的电路规模为0.388M N，82k bsimcmg，0.639 M C，1.03 M R。Spectre APS RF 与Spectre X RF 均使用了16 线程。

此工艺中使用了hb LO 信号与双音信号交调方式仿真OIP3，输入信号为频率相差1 MHz的双音信号，LO信号的谐波数与过采样因子为15 与2，双音信号的谐波数与过采样因子均为5 与1，各模式的时域输出波形如图4 所示。

图4 SMIC 14 nm 时域输出波形对比

各模式的频域输出波形如图5 所示。

图5 SMIC 14 nm 频域输出波形对比

SMIC 14 nm工艺中，Spectre APS RF 与Spectre X RF仿真性能对比如表2 所示，各仿真器使用模式与TSMC 28 nm 一致。

表2 SMIC 14 nm工艺仿真对比

在SMIC 14 nm工艺中，Spectre X RF 内存优化不太理想，运行时间有一定的优化，但未达到理论预期。

以Conservative+UPA 作为标准，精度最低为Spectre X RF+MX，为98.40%，在射频电路系统中，为可接受的误差值。

Cadence 研发已经在对该电路进行调查研究。

3.3 TSMC 7 nm

TSMC 7 nm工艺环境中，仿真使用的电路规模为994k N，33k bsource_rhim，50k tmibsimcmg，1.4M C，3.761M R。Spectre APS RF 与Spectre X RF 均使用了16 线程。

此工艺中使用了hb LO 信号与双音信号交调方式仿真OIP3，输入信号为频率相差1 MHz的双音信号，LO信号的谐波数与过采样因子为15 与2。

在仿真前的内存预估过程中，Spectre APS RF 预计使用内存如表3 所示。仿真使用服务器仅有1.4 TB 内存，无法满足内存使用需求。

表3 TSMC 7 nm Spectre APS RF 内存预估

Spectre APS RF 中打开lowmems开关，Conservative+HPA 内存减小至1.2 TB。

Spectre X RF的内存预估在服务器性能范围内，最终使用Spectre X RF 与Spectre APS RF 对电路进行了仿真。图6 与图7 分别为TSMC 7 nm工艺中各仿真模式输出端时域与频域的波形对比。TSMC 7 nm工艺仿真对比如表4 所示。

图6 TSMC 7 nm 时域输出波形对比

图7 TSMC 7 nm 频域输出波形对比

表4 TSMC 7 nm工艺仿真对比

TSMC 7 nm工艺环境中，Spectre X RF 内存优化、运行时间优化均高于预期，对比于降低内存的APS+Conservative+HPA OIP3 精度保持很好，且提速约4 倍，符合实际项目需求。如果Spectre X RF 也打开lowmem options，运行时间和内存使用应当还能进一步降低。

具体内存优化与运行时间优化如表5 所示。

表5 各工艺仿真对比总结

4 结论

Spectre X RF 作为Cadence 推出的新一代RF 仿真器，默认使用方式相比于APS RF，更为简单，从而使得电路工程师能更多的聚焦于电路设计。

应用于本文的模拟下变频电路的仿真中，在TSMC 28 nm、SMIC 14 nm、TSMC 7 nm工艺环境中，内存与运行时间均有一定的优化。在小工艺TSMC 7 nm工艺中，内存与运行时间优化远超预期。

Spectre X RF 还存在改进空间。另外，Spectre X RF支持的distributed HB 分析对大内存需求的multi-tone HB 仿真帮助很大，但因为时间以及其他原因，本文没有进行太多的调查研究。