去年我们发布的《芯片设计五部曲》，还挺受欢迎的：
芯片设计五部曲之一 | 声光魔法师——模拟IC
芯片设计五部曲之二 | 图灵艺术家——数字IC
芯片设计五部曲之三 | 战略规划家——算法仿真
不少人辗转问过我们下一集什么时候出。
放心，我们不鸽。
第四集这不就来了嘛，虽迟但到！
先前几集，我们分别细致探究了模拟集成电路和数字集成电路的设计流程，详细阐述了算法仿真的四个主要特点，并且结合了EDA工具的功能和运作原理，说明了如何运用计算机技术来提升模拟和数字芯片的研发设计水平。
如同先前在模拟集成电路部分提及的：射频芯片堪称模拟电路领域中的璀璨瑰宝，长久以来被视为芯片设计界公认的技术高峰，其设计环节中的诸多抉择与平衡考量，足以为其独立成章。
射频芯片不是你想象中的射频芯片
无线电通信所用的频率范围称为射频，其电磁波频率介于三十万赫兹到三十亿赫兹之间，这个范围被称作射频，简称为RF。射频芯片，是用来接收和发送射频信号，并且对这些信号进行加工的集成电路，通常由功率放大器、低噪声放大器、滤波装置、双工设备或多工设备、切换装置、天线调谐单元等构成。
射频集成电路的用途包括，移动电话联络，太空信号传输，探测系统运作，无线数据采集，以及感应装置使用。
射频电路属于模拟电路的一种特殊类别，在高频范围内发挥作用。最初，这类电路需要借助价格高昂的独立电子元件来构建。随着CMOS工艺的发展，众多电子器件得以集成在一块芯片之中，从而提升了系统的整体集成水平和运行效率kaiyun.ccm，并且有效控制了生产成本。
摩尔定律行至晚期，电路与芯片的精密度逐步增高，高频时电磁间的相互影响开始干扰射频设备运作。信号折返、线路间的串扰以及电磁骚扰，还有部件固有的非预期参数，这些都会削弱电路的运作能力。
在低频电子线路或者直流电路中，元器件的特性很一致。
在频繁交互中，所有元件均由电阻、电感与电容构成，且包含内在的附加特性。
射频电路中，理想的电阻、电容和电感在实际中并不存在。
电阻并非电阻，电容并非电容，电感并非电感，导线亦非导线。这些部件并非你所设想的部件，不再仅是基础且独立的物理装置，还涉及了自身的材质属性、制作工艺，以及与周边空间环境的相互作用。
频率越高，影响越大。
以一根导线为例：
同一条金属线，在无线传输范畴，金属线不能被当作金属线看待，存在集肤现象，就是说当频率很高时，电流在金属线内部并非平均分布，会聚集在金属线的表层，中心区域几乎无电流经过。
由于强电流流过时，在导体内部会形成一个沿轴分布的变动磁场，这个变动磁场会进一步引发一个环绕四周的变动电场，这个电场会增强导体外侧的电流，同时削弱导体内部的电流，因此电流在传输过程中会集中分布在导体的表面，而导体内部会变得稀疏，造成整体传输效率下降，并且浪费了更多的金属材料。
这时候，需要根据不同的频率去考虑电流在导线里面的分布情况。
所以，射频芯片的构思不能单是针对零件本身来构建数学框架，还必须针对高频状况下所有三维电磁状况实施电磁学模拟运算。
电子科技持续进步，电路集成规模与工作速率持续增强，怎样借助更精密的电磁场模拟手段，准确评估和探究寄生因素对电路功能的作用，已成为高频设计专家们面临的关键任务。
射频集成电路的构思与模拟集成电路的构思，看似仅一步之遥，实则存在本质差异
一颗射频芯片的完整设计流程如下：
跟模拟芯片相比，主要是多了电磁仿真这一过程。
看起来只多了一小步，但却是芯片设计工程师们的一大步。
1、工程师知识与能力储备
射频工程师和模拟工程师，是从同一根技能树上生长出来的。
但是，大家都说，射频工程师做模拟没问题，反过来就不行。
为啥？
从知识储备角度：
模拟工程师着重掌握模拟集成电路,深入理解信号系统,并且需要学习高等数学和物理的相关内容。
从事射频领域的技术人员，不仅应当掌握模拟技术的基础，还必须深入学习射频集成电路知识，同时也要系统学习电磁场以及通信原理的相关内容。
有位射频芯片领域的权威人士，即UCLA的Asad.A.Abidi教授，接收到一个询问，内容是，敬爱的教授，您认为在本科阶段，哪些学科对于RFIC的学习最为关键呢？
教授表示全部都是这样，他确信地说确实全部如此。结果证明，所有学科无一例外。
从经验能力来说：
模拟器件的构思极度依赖实践积累开yun体育app官网网页登录入口，无线通信芯片在此方面的要求更为严苛。
射频集成电路的研制与电子元件联系非常密切，设计匹配布局难度大，必须掌握多数元件的属性以及各种制造组装封装流程。由于射频线路容易受到周边电路、电场磁场、气温、电磁波信号和其他环境条件的影响导致性能发生显著波动，针对所有这些因素进行模拟和预估几乎等同于一门深奥学问。
工程师面对各种实际运用环境时，积累的实践经验往往难以迁移，性能参数复杂多样，配套的辅助手段匮乏，常常需要突破技术瓶颈。设计环节中涉及众多标准，必须反复斟酌并做出抉择，过程充满变数，对从业者的能力水平设定了很高门槛。
这解释了为何众多射频集成电路设计企业采用IDM（集成设计与制造，垂直整合制造）模式，由于涉及多种不同的加工工艺，必须与代工厂的生产流程各阶段深度合作，因此进入该领域的难度非常大。
2、电路物理模型
从电路物理模型层面来看，射频芯片可视为模拟芯片的进阶形态，而模拟芯片则是前者的简化抽象。
模拟芯片归类为集中参数电路，是一种应用广泛的简化电路形式。它把电路里的元件转化为等效的电阻、电容和电感等参数，用简化的方式展现了复杂电路的特性，从而降低了繁复的计算过程。
欧姆定律和基尔霍夫定律是分析集总参数电路的核心法则，它们只取决于电路的拓扑结构，跟元件在电路中的具体位置没有关联。
这个模型仅与时间相关，是一个单一变量的函数，属于标量运算，也就是仅有数值大小，不具备方向性的量。
它专门用来形容那些频率很低的电路，或者电路里信号的波长远远超过了整个电路的尺寸，是麦克斯韦尔方程在低频电路这个特定领域的一个专门解法。
公式一般长这样，看着是能让人算出来的样子：
射频芯片是分布参数电路的一种，它把元件表现为有空间分布的电阻、电容和电感，这些参数是连续分布的。
该电路设计顾及了组件在系统中的具体安放情况，有助于更精确地说明信息流转时出现的相位偏差、能量衰减等状况；并且还考虑了线路与部件之间距离的关联性，即电流或信息在物理位置上的散布情形。
与该算法和理论依据相匹配的是麦克斯韦尔方程式，以及电磁场和电动力学。
这个模型关联着时间与地点，包含多种变量，本质上是一种复变函数，同时它也适用于张量运算，可以视为一个由多个维度数值构成的集合。
适用于高频电路情形，或电路信号波长，至少等于电路尺寸情形，或频率特性，受传输线长度，影响较为明显情形。
公式一般长这样，人是算不出来的，要用计算机辅助：
总结一下，射频芯片与模拟芯片在电路物理模型上的差异：
3、仿真计算特性
模拟芯片设计中的计算特点，在《五部曲-模拟IC》一书里着重阐述了两种主要数值运算情境：多情形分析和随机模拟，这两种技术的各项操作彼此分离，彼此毫无牵连，非常适宜采用分布式并行处理方式。
但每个任务都进行瞬态分析，用以考察电路在某个时段电压电流的动态情形，分析数据与前一时刻关联，属于连续步骤。
只针对微分方程进行数值求解时，涉及的数据规模不大，对处理器的时钟频率依赖性强，计算任务的并发执行受到很大限制。
在时域分析上，计算量大，在频域上计算量小。
Spectre作为常用工具，针对AVX512指令集进行了优化，能够以并行方式对众多整数或浮点数执行算术运算。
射频芯片的设计特点，跟模拟芯片相比，差别相当大。
射频电路对频率反应灵敏，一般借助频域方法进行描述，在频率层面和时间层面进行解析时，所需投入的计算资源都比较可观。
采用有限元数值方法，将目标电磁场所在区域进行剖分，形成众多四面体网格单元，然后对各个微小的单元实施计算处理。
对各种频段进行采样，或者运用有限元技术进行剖分，本身就能够发挥多任务同时处理和分散处理的效果，能够配合并行运算，其中包含许多SIMD指令，这种指令类型指的是单条指令同时处理多条数据，其核心作用是协助CPU达成数据同步处理，以此来增强计算效能。
张量计算，数据量大，算力需求高。
常用工具ADS，有针对AVX512指令集优化。
因为是求解空间问题，所以部分工具可用GPU。
总结一下，射频芯片与模拟芯片在仿真计算特性上的差异：
三种电磁场仿真技术：FEM/MoM/FDTD
近年来，电磁仿真领域主要涵盖了三种技术手段，分别是有限元分析，2.5D矩量法，以及有限时域差分法。
原则上，他们都能解决相同的问题，但却有各自更适合的场景。
1、FEM有限元分析
FEM即有限元分析法，是一种精确的立体场计算工具，能够处理各种形态的三维构造，属于最为通用的电磁学模拟技术，亦可视为一种穷举式计算策略。
该算法把整个几何体分割成众多四面体，每个四面体都由四个等边三角形构成。换句话说，整个目标区域被分解为N个更小的部分，每个部分都用局部函数来描述其中的场。
接着，将各个区域分别处理，针对傅里叶变换后的麦克斯韦方程式进行求解，计算的目标是每个细小单元中的电场强度与磁感应强度。
对于几何形状复杂或电气系统庞大的结构，网格划分可能变得极为繁复，构成由大量四面体构成的网格单元，进而引发需要处理规模庞大的矩阵计算。
所有端口激励只需要一个矩阵求解。
多用于处理立体构造难题，整体需要较多计算资源，运行效率较低。
2、MoM 2.5D矩量法
FEM有限元分析是一个三元方程组，计算量很大。
MoM 2.5D矩量法，是一种为3D层状结构设计的优化算法，针对半导体平面工艺特点，进行了数学上的简化处理，并实现了等价转换，从而将原本涉及三个未知数的计算，减少为仅含两个未知数，显著提升了计算效率。
这种算法的核心要点在于：整个几何模型的背景构造信息都储存在格林函数里，相同介质上的不同构造，只需计算一次格林函数即可。因此，只需对需要求解的金属构造进行网格划分，通常采用矩形、三角形以及四边形网络单元来构建。
因此，MoM网格的平面结构比FEM所用的体积结构更为精简，并且占据的空间也更少。
网格单元数目降低能够减少待求解的变量，并且达成非常迅速的计算，因此MoM方法很适合用来研究具有复杂层次叠合构造的系统。
MoM方法在频率域求解积分版麦克斯韦方程组，其目标是确定金属表面的电流分布情况。一旦获得电流分布数据，仿真软件就会借助格林函数执行数值计算，从而计算出解空间内任意位置的电磁场分布。
所有端口激励只需要一个矩阵求解。
从原则上讲，不论何种构造形态或非均匀材料，矩量法同样能够加以解决。不过，必须对周围条件作出补充说明，致使未知数总量增加，运算速度减慢，最终使得其效能不及采用有限元分析法的FEM求解微分方程式来得快捷。
因此，MoM矩量法对于普遍的三维构造并不适用，它主要针对的是三维层状构造进行求解，并且经常被应用于芯片上的无源器件。
3、FDTD有限时域差分
FDTD即有限时域差分法，与FEM相似，属于真正的三维场求解工具，能够针对任意形态的三维构造开展研究。
FDTD方法一般采用六面体网格单元，也就是“Yee”单元，来求解微分形式的麦克斯韦方程，在时域中计算，当前时刻的电场和磁场矢量值，可以通过结构中前一时刻的电场和磁场值，以及它们的变化情况直接推算出来。
FDTD方法有个突出的好处，就是它不用解矩阵方程，处理时域问题特别省内存，就算结构复杂也高效。这种方法特别适合并行处理，能借助GPU提升模拟速度。
必须为几何N端口设计上的每个端口运行一次仿真。
小结
MoM仿真速度会更快，但是FEM的应用范围更广更灵活。
当所研究的目标为平面形态或层叠构造时，应优先考虑采用矩量法进行模拟，以此提升设计工作的效率水平，例如涉及印刷电路板的布线连接、芯片上的无源元件布局，以及各类平面类型的辐射装置。
结构单纯时，选用FEM分析效果差别不大，当涉及几何形态复杂和问题规模较大时，FEM为众多端口类问题提供了最为高效的解决途径，FDTD在时间范畴内展开计算，因此它对于连接器界面以及执行时域反射计TDR分析极为适用
射频_电磁场仿真工具：HFSS/ADS/EMX
电磁场仿真现已是射频电路设计者不可或缺的一项能力。特别是那些专为射频与微波电路分析设计的计算机辅助工具，它们的应用，使射频芯片工程师得以掌握空前的仿真水平。
这当然不代表借助相关软件就能轻松应对电磁模拟挑战，先前已经多次强调过，射频集成电路的设计对实践经验极为看重。不过借助性能更优的电磁模拟软件，技术人员能够以较低成本检验设计理念，或者将更全面更贴近实际的数据整合进模拟过程，以此降低外部环境因素的影响。
目前，业界主流仿真工具主要有HFSS/ADS/EMX。
射频技术中，TA们针对不同层级设有对应的仿真模型：EMX用于芯片层面，ADS用于板卡层面，HFSS用于部件层面。尽管这些仿真都基于电路概念，且遵循相同的物理定律，但由于制造工艺和尺寸存在差异，因此需要借助不同的仿真工具进行操作。
1、HFSS
HFSS是电磁场模拟领域的开创性产品，率先实现商业化运作，被视为该行业的典范，目前由Ansys公司所拥有。
HFSS采用的是有限元分析技术，这种技术具有广泛的应用范围，几乎可以处理所有三维构造。
但通用性导致缺乏特定领域的针对性，HFSS将有限元分析这一数学方法用于电磁学，当然，也能用于其他工程学科，由于未针对芯片设计进行优化，软件操作体验欠佳。
HFSS主要专注于较大射频器件和模块的设计工作，例如波导和传输线，它进行的电磁仿真更侧重于整体层面。
关于HFSS的归类问题，存在一定争议性，它既可归属于CAE范畴，也能划入EDA领域，具体归属较为复杂。在智能制造和汽车制造等行业中，HFSS主要用于电磁场分析，这类应用较为普遍。此外，该软件也可应用于部分芯片设计环节，发挥其仿真功能。
我们完成过一项研究，具体内容点击这里：高性能存储设备，令HFSS电磁模拟突破限制
2、ADS
ADS与EMX存在显著差异，前者属于专门的电子设计自动化工具，后者则不同，主要应用于芯片设计中的电磁场分析，这类工具在相关领域应用普遍。
这种电磁场计算软件在方法上，依据麦克斯韦公式组推算器件的立体电场状况，把器件转化为对应的RLC网络，实现“场域变电路”。这样做既能减轻分析负担，又能把器件的有限元物理图样，改造成对应的Spectre/HSPICE原理图，供常规电路分析软件调用。
ADS是是德科技旗下产品，专注于射频芯片电路的优化和研发，能够执行三维电磁场仿真，也能用于PCB布局和部分集成电路设计。是德科技与众多元器件厂商建立了紧密合作关系，可以向用户供应最新的设计套件。
ADS能够针对芯片上的电路或元件进行模拟运算，它比较适合小型的射频或毫米波集成电路设计，假如要仿真的对象是一个庞大的功能单元，那么HFSS或许会是更恰当的选择。
ADS能够运用FEM有限元分析法，也能采用MoM 2.5D矩量法，或者选用FDTD有限时域差分进行计算。
MoM方法适用于层状构造，而采用FEM或FDTD技术时，则能够处理任何三维构造。
ADS能够与多种软件协同工作，无需在不同系统间传输数据，它在Virtuoso上的适配性要强于HFSS。
电磁与射频领域的设计工作，常常要借助HFSS来构建天线模型，同时运用ADS对电路进行检测，这种情况下就必须让这两种工具协同工作，并借助S参数充当数据传递的桥梁。
高频下射频电路的电磁场效应易受外部环境因素影响，导致性能大幅波动。因此，在射频芯片设计阶段，必须获取Foundry厂提供的工艺资料。这是因为需要了解芯片制造全流程中的材料属性和设备构造，才能进行仿真建模。
起初，ADS一直拥有压倒性优势，各大晶圆代工厂会发放基于ADS的工艺设计套件，近来慢慢也推出了基于EMX的工艺数据。
3、EMX
EMX是专为射频集成电路设计而创建的软件，它作为Cadence这一常用EDA工具的插件运行，能够与TA系统实现无障碍对接，对技术人员来说非常方便易用。
对集成电路进行芯片层面的剖析，属于精细的观察范畴云开·全站体育app登录，通常借助EMX来完成最为恰当。
EMX仅限于MoM 2.5D矩量法,该算法专门用于剖析片上无源器件等层状构造,不适用于bonding wire、BGA、PGA封装等非层状构造,以及横截面非直线形的金属构造。
HFSS 17.2版本以及19版以后的ADS能够借助GPU加速电磁场计算过程，并且在并行计算模式下，运行效能获得大幅增强；EMX作为Cadence平台上的一个附加模块，目前尚不能利用GPU执行相关任务。
三种射频芯片电磁场仿真工具对比
有关我们于各类电子设计自动化领域的成果，请通过下列项目名称进行查阅：
HSPICE模拟软件, OPC光刻校准技术, VCS验证平台, Virtuoso电路设计工具, Calibre版图检查系统, HFSS高频电磁仿真软件
