SpiceCut Memory Circuit Reduction for Fast and Accurate Simulation

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さやなきせんばる
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1 MSIM-PCB ( 日本国内販売名 :PCBsimTM ) 翻訳 : シグナル工房野田 For Complete Signal Integrity Analysis with Transmission line Modeling Capabilities

2 SPICE とは Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis の略主に半導体設計に使われ基板などの伝送線路解析では精度が悪いと思われているケースが多い HSPICE 互換と汎用 SPICE の違い HSPICE 互換 (MSIM-PCB) W エレメント (RLGC モデル,Table モデル S パラメータモデル ) 多導体損失分布定数モデルが扱える IBISモデル (Bモデル) が扱える汎用 SPICE ( フリーの LTSPICE など ) 伝送線路モデルとして T モデル ( 無損失 ) か集中定数で扱う最高周波数の波長に比べ回路長が短い回路 (IC など ) なら成立する

3 PCB シクナルインテクリティーシミュレーション高速伝送アプリケーションの例 Connector Connector Mother Board Daughter Board SI Simulation Circuit & Model Connector Model Interconnect Model Eye Diagram Analysis

4 基板回路シミュレーションの流れ基板デザインデータベースインターコネクト部と基板の Via アクティフ入出力回路受動部品マクロモデル W- エレメント IBIS モテル SPICE モテル ( 暗号化有無 ) マクロモデル W- エレメントネットリストとスティミュラスシェネレータ MSIM-PCB 回路シミュレータシミュレーション結果アイダイアグラム解析波形ヒューワー

5 基板シミュレーションと解析の問題点高速伝送シミュレーションの問題点 IBIS モデルや Verilog-A モデルでは Gbps の解析は困難と言われてきた解析時間を短くするために Gbps の精度が犠牲になる場合がある長いシミュレーション時間や大きすぎる回路モデルランダムパル : プリ / デ - エンファシスジッター付加などの実現インターコネクト部や受動部品のモデルの精度が Gbps レベルの解析に不適当シミュレーションの自動化の可否シミュレーションの実効やモデル作成の簡素化

6 MSIM -PCB 完璧な基板 SPICE シミュレータ高精度で高い収束性の高速伝送シミュレーションのためのスマートな解析アルゴリズム W(T or U) エレメント IBIS SPICE 入出力 ( 暗号化可 ) などをヒビルトイン評価する広範囲なモデルのサポート意図的なジッターの付加や pre/de-emphasis の可能なビルトインパルスジェネレータ及び PRBS( ランダムパルス発生器 ) 伝送線路及び W- エレメントモデル抽出のためのビルトインツール高いスループットのための安定なマルチスレッド解析

7 MSIM の認証実績 JEITA の IBIS Quality Framework において MSIM-PCB の解析結果が Golden Result として認可され JEITA のウェブサイトからダウンロードできるようになりました : MSIM は TSMC 社の SPICE ツール評価プログラムにおいて正式採用ツールとして認証されました

8 IBIS Model Simulation MSIM の解析例 RWF が大きくなるに従って IBIS モデルの解析結果が SPICE モデルに近づきます MSIM using BSIM3 Spice Model MSIM using IBIS Model RWF = 0 MSIM using IBIS Model RWF = 1 MSIM using IBIS Model RWF = 2

9 PRBS( ランダムパルス ) スティミュラスシェネレータ MSIM のビルトイン関数標準 PRBS プリエンファシス PRBS デエンファシス PRBS PRBS De-emphasis PRBS 意図的ジッターを付加した PRBS ガウシアンフィルタを付加した PRBS

10 エレメントとモデル MSIM による広範囲なサポート W- エレメント, T- エレメント,U- エレメントモデルラプラス関数を補間できるソースエレメントモデル (EFGH) IBIS モデル (RWF = 0, 1 and 2) Verilog-A モデル CMI (Common Model Interface) モデル

11 周波数依存モデルのサポート因果性 (Causal) のある W- エレメント RLGC モデル W- エレメントテーブルモデル (RLGC- ハパラメータ ) ラプラスビヘイビアモデル別ツールにより S パラメータから抽出可能すなわち時間軸過渡解析のための広帯域 SPICE マクロモデルとして使用できる W- エレメントの S モデル (S パラメータ ) は MSIM に現在実装中

12 伝送線路のモデルング Pre-layout Prototyping & Optimization W-エレメント RLGCモデルの抽出 2D & 2.5D フィールドソルバーの使用与えられた周波数レンジでの性格なシミュレーション

13 暗号化と解読能力 SPICE 入出力回路のデータ保護の必要性チップメーカは情報保護のために入出力回路の SPICE モデルを MSIM で暗号化できますユーザーは MSIM で暗号化されたモデルを直接シミュレーションに利用できます MSIM の暗号化と解読アルゴリズムは高い安全性を誇ります他の SPICE ツールで暗号化されたデータは解読できません知的財産権による

14 MSIM-PCB による解析例 USB3.0 テストベンチ : 回路 USB チャネル回路とケーブルテストベンチ回路入力信号源ケーブル CTLE ( アクティフイコライサー )

15 MSIM-PCB による解析例 USB3.0 テストベンチ : 各部品入力信号 : PRBS( ランダムパルス ) Voutp inp 0 PWL( e e e e ケーブル : 4- ポート伝送線路マクロモデル xcable inp inn n3 n4 skewcable3m_passive.subckt skewcable3m_passive a_1 a_2 a_3 a_4 VI_1 a_1 NI_1 0 RI_1 NI_1 ref e+001 GC_1_1 ref NI_1 NS_ e+001.ends

Magnitude db MSIM-PCB による解析例 USB3.0 テストベンチ : 各部品 CTLE: Continuous Time Linear Equalizer E1 0 outn Laplace 0 n4 2.5659E+20 6.286E+10 / 3.

16 Magnitude db MSIM-PCB による解析例 USB3.0 テストベンチ : 各部品 CTLE: Continuous Time Linear Equalizer E1 0 outn Laplace 0 n E E+10 / E E Frequency Hz Transfer Function USB3.0 の仕様書で指定されたケーブルの損失を補間する受信端のアクティブイコライザです

17 入力信号 MSIM-PCB による解析例 USB3.0 テストベンチ : 解析結果出力信号

18 MSIM-PCB による解析例 USB3.0 テストベンチ : アイダイアグラムアイダイアグラム Eye Width (UI): 400 p sec Trigger Period: 0.5 UI Verification Standards: Minimum eye height Minimum eye width

19 TX Board Pattern Source Device TP1 Receptacle HDMI Cable HDMI Cable Side MSIM-PCB による解析例 HDMI テストベンチ : 回路 Plug Test Equip Side ref Cable Cable Assembly HDMI Equalizer Plug TP2 outp Receptacle + HDMI Pattern RX Board Sink Device Equalizer outn -

20 MSIM-PCB による解析例 HDMI テストベンチ : 各部品入力信号 : PRBS( ランダムパルス ) Voutp inp 0 PWL( e e e HDMI ケーブル : 4- ポート伝送線路マクロモデル.subckt skewcable3m_passive a_1 a_2 a_3 a_4 VI_1 a_1 NI_1 0 RI_1 NI_1 ref 5.0e+1 GC_1_1 ref NI_1 NS_ e+1

21 Gain MSIM-PCB による解析例 HDMI テストベンチ : 各部品 HDMI cat2 用イコライザ仕様.subckt HDMI_EQ a_1 a_2 VI_1 a_1 NI_1 0 RI_1 NI_1 ref 5.0e+1 GC_1_5 ref NI_1 NS_ e Frequency GHz

22 入力信号 MSIM-PCB による解析例 HDMI テストベンチ : 各部品出力信号

23 MSIM-PCB による解析例 HDMI テストベンチ : アイダイアグラムアイダイアグラム 3.4 Gbps: Eye Width (UI): 588 p sec Trigger Period: 1 UI

24 MSIM シミュレーションによるテストベンチ測定器による従来の方法周波数測定 : ヘクトルネットワークアナライサ (VNA) TDR 測定 :Time Domain Reflectometer (TDR) 時間軸過渡応答測定 : 高速オシロスコープ MSIM シミュレーションによるテストベンチ簡単で全てに対応 ( 周波数,TDR, 時間軸過渡 ) 低コスト ( 測定器 : 数千万円に対し MSIM: 五十万以下スタンタートハッケーシのみの 2011 年値段 ) 試作製造する前にコンプライアンステストを実施可能

25 MSIM-PCB ベンチマークラプラス関数モデルの速度比較 USB3.0 テストベンチエレメントタイフ最も有名な Spice Tool CPU Time MSIM CPU Time 速度 - アッフ Test1 5,600 G Laplace ソース 5,442 sec sec 288 倍 Test2 32,000 RLCG, Laplace 無 13,901 sec sec 39.6 倍

26 MSIM マルチスレッドの使用マルチコアマルチ CPU によるマルチスレッドに対応マルチスレッドは行列計算の再編成とデバイスモードの計算に採用されています下記は 2 Quad-Core CPU のヘンチマーク結果です Threads Run Time Speed-up seconds 1.00 X seconds 1.87 X seconds 2.64 X 4 97 seconds 3.29 X 5 80 seconds 3.99 X 6 68 seconds 4.69 X 7 64 seconds 4.98 X 8 57 seconds 5.60 X

27 MSIM-PCB バンドルパッケージ PCB SI シミュレータと IBIS モテリンクツール SharkSim PCB シクナルインテクリティシミュレータ MSIM-PCB は高速伝送基板のシクナルインテクリティシミュレーションエンシンとしてすでに SharkSim に組み込まれています IOMeth の SIMDE Model IBIS モテル作成支援ツール MSIM-PCB はデフォルトの回路シミュレーションエンジンとして IBIS モデル作成支援ツール SIMDE Model に組み込まれています

28 MSIM-PCB 統合パッケージ PCB SI シミュレータインターコネクトと IBIS モテリンクツール Legend Design, Simberian, and IO Methodology は共同で使いやすい PCB シミュレーションのソリューションを提供しますこのソリューションには以下のツールが含まれます Legend 社の MSIM-PCB: PCB 回路シミュレータ IOMeth 社の SIMDE: 波形ビューワ及び IBIS モデル抽出ツール Simberian 社の Simbeor: 伝送線路及びビア用広帯域電磁界モデリングツール

29 MSIM-PCB シミュレータサポートしているフラットフォーム Redhat Enterprise Linux 3.0 and above Windows XP and above

30 まとめ MSIM-PCB 回路シミュレータ高速正確安定して使いやすい高速伝送基板テサイン用シミュレータ W- エレメントのテーブルモデルやラプラスビヘイビアモデルなどを含む広範囲なモデルのサポートと検証ツール付属プリエンファシシフ / デエンファシスが設定可能な PRBS( ランダムパルス ) スティミュラスジェネレータインターコネクト受動能動部品のモデリングツールを含むシームレスな統合インターフェースシミュレーションの自動化が可能超低価格

まず初めに Xilinx 社の FPGA である Vertex-5 と X 社の QDR2 メモリーの書き出し回路を IBIS モデルと無損失の TLINE 伝送線路モデルの組み合わせで作成しアイパターン解析を行うトポロジーを TinyCAD と PCBsim 用ライブラリーを使って入力してみ

まず初めに Xilinx 社の FPGA である Vertex-5 と X 社の QDR2 メモリーの書き出し回路を IBIS モデルと無損失の TLINE 伝送線路モデルの組み合わせで作成しアイパターン解析を行うトポロジーを TinyCAD と PCBsim 用ライブラリーを使って入力してみ PCBsim (HSPICE 互換 ) による伝送線路シミュレーションシグナル工房 : www.signalkhobho.com 野田敦人 PCBsim は Legend 社の MSIM-PCB のメインのシミュレーションエンジンとするシグナルインテグリティー解析ツールです伝送線路解析機能を強化した MSIM-PCB と複数のソフトウエアを統合したパッケージとした形で提供されます用途価格によってフリーの回路図エディターとの組み合わせや専用トポロジーエディター