西门子mPower解决模拟混合时代电源完整性分析挑战

如今，随着芯片能力越来越强，模拟和数字混合芯片及传感器的应用范围也越来越广。根据Semico Research的研究表明，在 5nm 至 28nm 的技术节点范围内，模拟模块的数量以 10-15% 的年复合增长率增长。

无论是电池供电还是电线供电，低功耗都可以带来切实的实际好处，包括更高的功率密度，更长的待机时间以及更稳定可靠的执行效率。也正因此，需要针对芯片设计时的功耗管理进行全面分析与评估。

大规模电源完整性分析的挑战

西门子数字化工业软件 Calibre interfaces和mPower 电源完整性分析工具产品管理高级总监Joseph Davis表示：“功耗分析不单需要满足数字技术的发展，同时还需考虑到错综复杂的传感器及其他数字模拟混合领域的技术。”

电源完整性无论在芯片设计还是运行的过程中，都是非常关键的步骤。为了设计出在功耗、性能、可靠性等方面都满足目标的产品，需要针对电源完整性进行全方位评估。然而随着传感器、射频以及电源管理在芯片中的增长越来越多，且越来越庞大，EDA工具已经很难处理如此复杂的功耗分析。目前设计师需要使用手动进行分析，但这样做的时间成本以及资金成本消耗巨大。

Davis具体解释道，如今的工具并不能直接模拟大型网表，这意味着通常只限于100-200万门的晶体管规模，超过这个规模模拟开发人员需要类似于数字方式进行分块，块间或者芯片级分析只能通过手工完成，不够精准。而对于数字设计来说，现有的功率分析方案与硅物理层的相关度不高，容易造成风险。同时也缺乏模拟数字混合方案的整合。

此外，不友好的接口、以及PDK难以获取，都成为限制EM/IR分析的壁垒。

因此业界需要更加高效的EM/IR分析工具，具有更高层级的分析功能，并且由一家供应商提供完整的模拟数字混合方案，这样才有可能加速芯片的开发流程。

EM与IR介绍

EM（电迁移）被定义为由高电流密度下的电子流动引起的 IC 互连中金属原子的移动。本质上，这是说当大量电流通过一个小型金属区域时，电子会与金属原子发生碰撞。当这种情况发生时，动量将从电子转移到原子。

这种转移会使金属原子偏离其原始位置并沿电流流动的方向移动。随着时间的推移，原子的这种运动会产生金属原子的空穴或沉积，最终将分别导致开路或短路。

随着 IC 的发展，EM 已成为重要的电源完整性问题。因为 EM 直接源自电流密度（每面积电流）。随着技术节点的缩小，所使用的金属互连的横截面积也在缩小。但与此同时，随着IC处理性能提升，需要更多的电流。

最终随着电流密度的显着增加，导致供电网络中因EM而引起的短路/开路，从而影响电源完整性。

IR压降分析则是另外一个问题，随着IC 缩放导致互连的横截面积变小，由于互连的寄生电阻与其横截面积成反比，因此电阻越来越大。而随着IC电流越来越大，其供电网络的IR压降显着上升。这些不必要的损耗会导致电源完整性问题，因为传输到晶体管本身的功率将小于电源输出的功率。

mPower优势

针对市场上对于新兴模拟和数字电源完整性解决方案的需求与日俱增，西门子数字化工业软件宣布推出 mPower™ 电源完整性软件，该软件是业界首款也是唯一一款可为任何规模模拟、数字和混合信号 IC 设计提供近乎无限扩展性的 IC 电源完整性验证解決方案，即便对于最大规模的 IC 设计，也能够实现全面的电源、电迁移 (EM) 和压降 (IR) 分析。

传统分析方法在模拟晶体管数量超过万门时就要采用手动分析方法，而mPower的动态分析方法可以支持从最小到10亿门级的网络。

mPower 软件不仅适用于所有版本的2D 设计以及任意规模的 2.5/3D IC 实作，还可以轻松集成至现有的设计流程之中；在mPower的帮助下，IC 设计人员能够快速充分地验证其设计是否达到了与电源相关的设计目标，这种能力可以帮助IC 客户提升产品质量、增强可靠性并加快产品的面市速度。

mPower 为模拟 IC 设计人员提供了一种创新的动态解决方案，可在大型模块和芯片上进行高度精确的、基于模拟的 EM/IR 分析，从而取代对选定网络粗略的静态分析和 SPICE 模拟。

模拟仿真并不能按照0和1的数字化技术进行简化，所以需要非线性Spice分析，这对于系统资源消耗巨大。而mPower引擎进行了优化，并支持异构网络并行处理，这意味着仅需较小内存就可以执行。

针对PDK工具，西门子广泛的Foundry合作关系，也使得其为客户便捷提供PDK及EM规则等资料。

mPower提供简化的GUI，开发人员可以快速上手，并且通过Calibre RVE进行分析后的改进。

mPower得到广泛的客户认可

根据Davis的介绍，目前全球客户已有多家选用了mPower工具进行电源完整性验证。包括MaxLinear的5nm芯片，Efinix的FPGA，Esperanto超过1000核RISC-V的7nm高性能处理器，以及安森美传感器阵列数模混合芯片。

MaxLinear 的 SoC 设计和技术副总裁 Paolo Miliozzi 博士表示： “西门子的 mPower 解决方案帮助我们做到了以前难以实现的工作，在其助力下，我们现在可以在大型模拟电路的流片过程中，充满信心地评估 EM/IR。” 

Esperanto的 VLSI 副总裁 Darren Jones 表示：“在使用 mPower 之前，我们无法在 1000 多个内核的 64 位 RISC-V 人工智能芯片上执行单次全芯片 的 EM/IR 分析，使用 mPower 之后，我们只需很少的资源就能够在服务器场上运行 240 亿个晶体管的 7nm 人工智能芯片，周转时间也优于我们从前预期。”

mPower电源完整性分析使UPMEM设计人员能够在平面规划期间就进行电源优化，从而提升了10倍的IR效应改进。

Davis表示，西门子的晶体管和门级仿真建模可以完全满足不同类型客户、不同制程、不同产品的一切需求，当然最大的优势还是体现在大规模的模拟设计中。

mPower 电源完整性解决方案进一步完善了西门子的电子物理签核 (Signoff) 套件，可全面处理功耗、性能和可靠性分析问题，该套件还包括 Calibre PERC 软件、PowerPro软件、HyperLynx 软件和 Analog FastSPICE 平台，设计人员现在可以使用全套西门子电源完整性设计流程进行设计。 

西门子 IC/EDA 执行副总裁 Joe Sawicki 表示：“设计公司必须进行模块和全芯片 EM/IR 分析，以确认电网能够为设备提供必需的电流，而且保证导线不会过早出现故障。使用西门子创新的 mPower 解决方案，设计人员即拥有了可用于任何规模的模拟、数字和混合信号的 layout 的快速可扩展动态分析能力，面对最大规模的数字芯片，也可实现硅验证的精确度和快速周转时间。”