[发明专利]统计电路仿真的方法和系统

说明书

本申请要求2012年4月2日提交美国专利局、申请号为13/437,815，发明名称为“Statistical Circuit Simulation(统计电路仿真)”的美国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及的领域是电子设计自动化，具体而言，本发明涉及进行统计电路仿真的方法和系统。

背景技术

集成电路是由例如电阻、电容、电感器、互感器、传输线、二极管、双极结型晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（JFET）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、金属T半导体场效应晶体管（MESFET）、薄膜晶体管（TFT）等电路元件构成的网络。

随着技术的发展，集成电路越来越复杂，需要使用强大的数值模拟程序。例如，电路仿真是集成电路的设计流程中必不可少的环节，它能帮助电路设计人员无需通过昂贵的制造工艺验证其设计的功能和性能。随着半导体加工技术发展到纳米级，新的仿真方法需要解决纳米级电路设计所固有的新问题。现代集成电路在新工艺的发展中不断挑战着电路仿真的算法和实现。半导体行业需要EDA软件有能力来分析与动态电流相关的纳米效应，比如耦合噪声(coupling noise)、接地反弹（ground bounce）、传输线波传播(transmission line wave propagation)、动态漏电流(dynamic leakage current)、电源电压降（supply voltage drop）、非线性元器件和电路的行为等。因此，精准的电路模拟和晶体管级仿真已经成为勘察和解决纳米设计所面临问题的最有效的途径之一。

电子电路仿真器包括美国加州大学伯克利分校（UC Berkeley）开发的面向集成电路的仿真程序——SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）以及各种增强或衍生版本的SPICE仿真程序。SPICE及其增强、衍生版本将在本文被简称为SPICE电路仿真器或SPICE。SPICE方法认为电路是一个不可分割的整体。

SPICE仿真可以提供对电路行为相当准确的预测。这种预测不局限于个别的子电路，它涵盖整个系统（例如，整个集成电路），因而可以发现、处理全系统范围关于噪声之类的问题。一般的SPICE仿真处理流程，仿真中的模拟集成电路通常被表示为一个网表描述的形式。网表是一种由SPICE语言编写的用于仿真的对模拟电路的电路描述。SPICE网表是包含仿真控制语句的纯结构性语言。其他语言如Verilog-ATM，还具有行为构建的能力。根据特定的电路建模方法，SPICE的结构性网表和模拟集成电路的预定义电路元件可以被表示为矩阵形式。非齐次线性微分方程解的维度范围从1到n。相应数量的输入向量由线性方程进行处理。线性方程组的输入向量被表示为{I1，I2，..In}。由输入向量，可以求得线性矩阵的解向量{V1，V2，..Vn}。重复以上计算，直到解向量收敛。一系列的解向量可以在计算机的屏幕上显示为波形、测量值或者核查结果，这样工程师就可以通过计算机屏幕检查仿真的结果。

然而，随着集成电路行业的发展，器件尺寸不断减小、互联效应日益增加，SPICE全系统仿真变得越来越困难。一个例子是晶体管沟道长度微米尺寸变化为深亚微米尺寸。由于更小的器件尺寸，电路设计者在集成电路（IC）中能够运用电路元件（例如，晶体管、二极管、电容）数量呈指数级增长，对应于SPICE矩阵的维数也量级增长，巨大的计算复杂度使得计算不能在有效时间内完成。

一个电路可以表示为瞬间电流分析的大规模离散非线性矩阵。矩阵维数和电路中节点的同阶。对于瞬态分析，这个巨大的非线性系统需要求解几十万次，这限制了SPICE方法的容量和性能。一般的SPICE方法可以模拟不超过约50,000个节点的电路。因此，对于全芯片设计，SPICE方法不可行。SPICE在实际应用中被广泛应用于单元设计、库生成和准确性验证。

相对于传统SPICE，在20世纪90年代初开发的快速SPICE方法（Fast SPICE）在一定精度损失的情况下，有两个数量级以上的容量和速度提升。性能上的提升主要由于使用简化模型、电路划分技术、事件驱动的算法以及对电路延迟的利用。

SPICE将电路模型化为节点、元件集，也就是说一个电路被视为通过节点相连接的各种电路元件的集合。SPICE的核心是所谓的节点分析，通过节点方程（或者电路方程）以矩阵形式表示电路并求解节点方程。电路元件被表示为器件模型，产生电路方程的矩阵元素。