news and views - mentor graphics · 2019. 1. 8. ·...
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N e w s a n d V i e w sProviding Leading Electronic Design Automation Solutions
Winter2009 Vo l .26
FEATURE | IC Nanometer Design
より複雑化するアナログ・ミックスシグナル検証に対応する
クローズド・ループ検証Success Story
FloTHERMでTV筐体設計の熱課題を解決
Voice-OutVectors
Audio-OutVectors
Voice-InVectors Voice In
Voice Out
Audio Out
SPICE /Fast-SPICE
VHDL-AMS /Verilog-AMS
VHDL /Verilog
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N e w s a n d V i e w s
現在のアナログの検証手法の主流として、SPICEに依存したボトムアップ検証から、さらに進化したアナログ・デジタル言語を活用したミックス
シグナルのチェッカーボード検証が挙げられます。メンター・グラフィックスは、トランジスタレベルのシミュレーション・キャパシティと性能をより
向上させるべく、Eldo®をバージョンアップ、またADiTTMやADVance MSTMのコア・カーネルの改善を続けています。これらのコア・テクノロジの改
善のみならず、新たな検証手法を構築するためには、ICAnalystTMを効果的に使用することが次世代のソリューションのカギとなります。ここでは、
アナログ系シミュレータのコア・テクノロジ改善と、ICAnalystを組み合わせたクローズド・ループ検証についてご紹介します。
FEATURE | IC Nanometer Design
より複雑化するアナログ・ミックスシグナル検証に対応する
クローズド・ループ検証
Eldoの新バージョン
ミックスシグナル・シミュレータのADVance
MSにも使用されているピュアSPICEのEldoの
コア・カーネルは、2008.2のバージョンから改
善されており、その主な点は、大規模なポストレ
イアウト・シミュレーションをターゲットとしたマ
ルチスレッドとマトリクス・ソルバーにあります。
この新バージョンでは、精度を犠牲にすること
なく、処理速度を向上できます。例えば数百万
のカップリング寄生素子を含むマトリクス演算を
可能にするため、Eldoシミュレータには相乗効
果のある2つの主要な改良が加えられました。1
つ目は全面的に新しくなったマトリクス演算エン
ジンで、以前のバージョンと比較して劇的に速
度向上が実現されています。2つ目は、新しく開
発されたスケーラビリティに優れたマルチスレッ
ド技術です。例えばマルチCPUハードウェア（4
CPU）を使用した場合、寄生要素に対するアク
ティブ・デバイスの比率に応じて3倍から10倍の
速度向上が確認されています。この新しいアー
キテクチャの有効性は、「小規模な」PLLや
AD/DAコンバータから非常に大規模な電源回
路、またDRAM回路までを含む何千もの回路で
検証されています。この速度向上により、SPICE
で解析するには規模が大きすぎる回路にも検証
の可能性が出てきます。効率的、かつ汎用マル
チスレッド処理に適した専用のマトリクス・ソル
バーにより、ひとつのカップリング寄生容量を無
視することなく、精度を保持したまま解析処理が
可能となりました。
FastSPICEのADiT、ミックスシグナルの
ADVance MSに関しても、ワールドワイドでの
実績やフィードバックにより、ユーザビリティ改善、
SystemCを含めた言語のカバレッジ、MATLAB®
などのシステム系シミュレータとのインテグレー
ション、およびコア・カーネルの性能向上がな
されており、図1に示すチェッカーボード検証を
使用することで、どのような回路コンフィグレー
ションでも対応が可能となります。
チェッカーボード検証手法
文字通りチェッカーボードのように、あるブロッ
クの抽象度を変更して行うシミュレーション手法
です。例えばボトムアップ検証では抽象度を上げ
る（＝ビヘイビアモデルを使用）ことで、全体的な
シミュレーションの性能を向上し、またトップダ
ウン的なアプローチでは、理想状態のビヘイビ
アモデル・ブロックを現実的なSPICEブロック
に置き換えることで、実際のトランジスタ回路の
正確さを検証することが可能です。トップダウン、
ボトムアップどちらのフェーズでも、抽象度を変
更する対象ブロックが多ければ多いほどパラレ
ルな作業が可能となり、トータルの検証TATは
短縮されます。ただその反面、シミュレーション
を実行する前のコンフィギュレーション策定や
結果を確認する工数が増加します。また例えば、
SPICEネットリストのみのモンテカルロ解析でも
同様に、バラつきを持たせるパラメータが多け
れば多いほど、シミュレーションのセットアップ、
結果確認の工数が増えます。
図1：チェッカーボード検証
● SPICEと同等精度でのパ
フォーマンスの改善● ネットリストの分割で分散
処理を行い、TAT改善● 結果的に多くの検証パ
ターンを網羅し、カバレッ
ジを向上
Application Validation
Sub System Simulations
Top Level Simulations
Block Simulation
Behavioral Models Behavioral Models
Structural Models
Gate Netlist
SPICE / DSPF
Layout
Structural Models
Gate Netlist
SPICE
Stimuli for Sub System
Stimuli for Component
Stimuli for Block
INTERACTIONS BETWEEN ALL LEVELS
MatlabADVance MS
ADVance MS
ICAn
alys
t
EldoADiT
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ICAnalystを用いたクローズド・ループ検証
今後のミックスシグナル検証に想定される
様々な言語ドメイン、検証フェーズは、相互に補
間されることが理想です。図2に示すように、ト
ップダウン、ボトムアップの双方の検証フェーズ
と抽象度を円滑に管理実行するのが、ICAnalyst
です。例えば言語を含まないトランジスタレベ
ルでの解析でも、コーナースイープ、モンテカ
ルロ解析でバラつきを考慮するモデル数、デザ
イン・パラメータ数にPVTのバリエーションを加
味することで、数万といった数のジョブを実行す
る必要が出てきます。これらの煩雑なマルチジ
ョブのセットアップ、結果確認の工数を軽減する
ためのシミュレーション・コックピットのみならず、
抽象度を可変にした検証、またデザイン・センタ
リング、システムレベルの検証とのクローズド・
ループな環境の構築を円滑に行うことも
ICAnalystを使用する目的の1つです。
例えばモンテカルロ解析は、トップダウン／
ボトムアップ・フローの最下層であるブロックレ
ベルの検証となりますが、この解析TATの改善
は、Eldo、ADiT、ICAnalystのコンビネーション
で実現することが可能です。またビヘイビアモ
デルを上位検証で使用するために、ブロックレ
ベル検証（＝トランジスタ）での特性を反映した
ビヘイビアモデル・キャリブレーション（図3）も、
前述したチェッカーボード検証に必要になりま
す。今後は抽象度の高い上位設計（MATLAB、
SystemC）においてADVance MSに対しての
入力スティミュラスの伝播、またシミュレーション
結果の比較をすることで、より高度なアナログ・
ミックスシグナルのクローズド・ループ検証の構
築が可能です。
メンター・グラフィックスのAMSシミュレーション技術
メンター・グラフィックスのADVance MSは
デジタル、アナログ、ミックスシグナルおよび
RF回路に対応した、マルチ言語対応、シングル
カーネル機能検証環境です。このプラットフォー
ムは、アナログ・シミュレーション用のEldo、デ
ジタル・シミュレーション用のModelSim®、高速
トランジスタ・レベル・シミュレーション用ADiT、
およびRFシミュレーション用Eldo RFの4つの
高性能かつ実績豊富なシミュレーション技術を
ベースとして構築されています。ADVance MS
はVHDL、VHDL-AMS、Verilog、Verilog-AMS、
SystemC、SystemVerilog、SPICE、Cを含む、
ミックスシグナル・システムおよびSoCの設計、
検証のための言語のほとんどをサポートしていま
す。ADVance MSは発売以来幅広く支持を得
ており、現在数百社で導入されています。
図2：クローズド・ループ・システム設計と検証
図3：ビヘイビアモデル・キャリブレーション
ICA
naly
st
Post Process
Post Process
Optimizer
Testbench 1
Testbench 2
Testbench 3
回路動作、電気的特性を反映するキャリブレーション
● SPICE結果との相関● キー・モデル・パラメータ値の抽出
ICAnalystでの自動化
● キャリブレーションのセットアップ● テストベンチと結果の管理● キャリブレーション実行● PVTなどバラつきを反映
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LSIの微細化による高速化・高密度化、また、パッケージ・回路基盤の多層化・高密度化に伴い、熱の発生はますます大きくなっています。熱の
問題は、昨今、回路の誤動作だけではなく、人命にかかわる火災に結びつくなど真剣に取り組まなければならない重要な課題です。メンター・グ
ラフィックスは、2008年8月にFlomericsを買収し、新たに熱流体解析ソフト・熱過渡解析装置を製品ラインナップに加えました。今回は、その
熱流体解析ツールを使用して設計課題を解決したPhilips Applied Technologiesの成功事例をご紹介します。
Philips Applied TechnologiesFloTHERMシミュレーション・ソフトウェアで“Ambientlight” TV技術の熱設計課題を解決
概要
Philips Applied Technologies（以下Philips）は
メンター・グラフィックスのMechanical Analysis
Division（旧Flomerics）のFloTHERM熱シミュ
レーション・ソフトウェアを使用して、Philipsの
新しい42インチ液晶テレビ、Aureaの機構設計
を行い、以前に提案されていたコンセプトより
3℃～5℃温度特性を改良することに成功しま
した。オランダ、アインホーベンにあるPhilips
のProject Leaderを務めるGenevieve Martin
氏は開発プロセスの早い段階から熱シミュレー
ションを使用し、様々な構造的な選択肢に対す
る効果を検討しました。熱シミュレーションを使
用することにより、設計上の決断が熱特性に与
える効果をプロトタイプが完成するよりかなり早
い段階で理解でき、その結果、熱特性に問題の
ない設計を初回から成功させることで大幅な時
間と費用の節約ができたとMartin氏は述べてい
ます。
Success Story
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設計初期段階からの熱解析
評論家はこの新しいAurea 42インチ液晶テ
レビがテレビの未来を示していると評価してい
ます。画面の周囲には、合計126個の強力な
LEDが配置され、多数の光のセグメントが1つ
のなめらかな光に融合してActive Frameを発
光させ、背後の壁に柔らかな光の輪郭を映し出
します。ディスプレイ周囲に追加されたLEDお
よび電子部品から、設計のプロセスにおいて熱
管理が重要な役割を果たすであろうことは当初
から分かっていました。そのため、Martin氏は設
計プロセスの非常に早い段階から筐体構造に
関する検討を開始し、冷却に効果的な筐体構造
の定義を目指しました。
―熱シミュレーションは、このような設計課題に
対応する理想的なツールです。最小限の時間で、
非常に幅広い設計の選択肢を正確に評価でき
るからです。熱シミュレーションによって得られる
温度データにより、設計が仕様を満足できるかど
うかを判断することができます。また、解析空間
のあらゆる点における空気の流れや温度、圧力
等、現象理解に役立つ情報を提供してくれます。
この情報は、ある設計がなぜこのような温度特
性を示しているのかを理解するのに役立ち、多く
の場合はそれが迅速な改良につながります―
Martin氏はこのように述べています。
モデル解析による大幅な時間短縮
―Phil ipsでは、熱シミュレーションにFlo-
THERM数値流体解析（CFD）ソフトウェアを使
用しています。FloTHERMは、電子部品をモデ
ル化するために特に用意された様々なツールを
備えており、また大規模なモデルの解析にも対
応しているためです。これらのツールを使用する
ことで複雑な電子部品アセンブリのモデル化に
かかる時間を大幅に短縮できます。Philipsでは
FloTHERMを長年に渡り使用しており、多くの
ケースでその予測結果と物理テストの結果を比
較してきました。そして、FloTHERMは温度やそ
の他の重要な性能指標を正確に予測する能力
を常に証明してきました。Ph i l i p s では
FloTHERMを使って多数の成功した製品を開
発しており、シミュレーションを使用しない場合に
比べて大幅な時間の短縮を実現してきました―
Martin氏はこのように語っています。
まとめ
Martin氏は開発段階の初期に利用可能であっ
た、限られた情報を基に新しいテレビセットの
簡易モデルを作成し、最初にこのモデルを使っ
て、様々な取り付けプレート、背面カバーの構
成の熱特性を調べました。その後、図のような
データやその他の熱シミュレーション結果を、新
しいテレビの機構設計を担当していたチームに
伝えました。
―シミュレーションにより、熱特性からみて何が
有効で、何が無効であるかのヒントが得られまし
た。その結果、従来の試作とテストを使った手
法と比較して格段に短期間、低コストな設計を
可能にすることができたのです―
Martin氏はこのように語ります。
FloTHERMシリーズ電子機器向け熱流体解析ツール
FloTHERMは、電子機器の設計者が熱対策を行うために、装置を含め
た周囲環境から電子部品そのものまで、目的に応じた熱流体解析を短期
間に行うように開発された専用ツールです。また、FloTHERM.PCBを用
いると、プリント配線基板の概要設計段階において、製品マーケティング、
電子技術者、機械技術者間の連携を強めることができます。さらに機能記
述の検討レベルで、事前に熱問題を最適化したレイアウトを実現します。
このような機能により、すべてのエンジニアの同期が取れ、リアルタイム
で各エンジニアが概要設計の案を検討でき、概要設計段階で完成度の高
い部品配置等の基板レイアウトが可能となることから、試作品評価後に概
要設計まで戻るというロスを極限まで削減し、開発期間の劇的な短縮を
達成します。
New Products -1
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FloEFDシリーズ一般向け熱流体解析ツール
FloEFDは、3次元モデルから自動で解
析領域を認識した上でメッシュ作成を行い
ます。従来のソフトウェアのように、流体ボ
リュームの作成や境界サーフェスの指定な
どの手間がまったく必要ありません。また、
流体・固体界面を自動認識してメッシュ細
分割を行う形状アダプティブメッシュ、計算
中に状態（流れ、温度、境界層、衝撃波等）
が急激に変化する領域を自動でメッシュ細
分割するシミュレーション・アダプティブ機
能を搭載しています。さらに、熱流体解析
に起こりがちな、シミュレーション中に解が
発散して結果が得られないという問題があ
りません。ロバスト性が高く、多くの検証事
例に基づく信頼性のあるソルバーを採用し
ていますので、解析知識のないユーザでも
煩うことなく解析が実行できます。
T3Ster / TERALEDパッケージ熱抵抗・容量測定装置
T3Sterは、半導体パッケージ内の各材質
の熱抵抗・熱容量を非破壊で測定すること
ができる世界初の画期的な装置です。測定
原理は、自然冷却時の温度変化を測定し
（ジャンクション電圧を測定し温度換算）、そ
こから数式変換により各材質の熱抵抗・熱
容量を算出します。また、T3SterをLED専
用の装置TERALEDと組み合わせることに
より、LEDパッケージの熱特性のみならず、
光度・放射特性を測定することができます。
FloVENT空調施設向け熱流体解析ツール
FloVENTは、クリーンルーム、データセン
ター、HVAC（Heating, Ventilating and air
Conditioning）などの空調シミュレータとし
て世界中の多くのお客様にご使用いただい
ています。設計の前段階で使用することに
より、最適な室内レイアウトを実現でき、エ
アコンなどの消費電力を最適化・最小化す
ることが可能です。例えば、大規模なデー
タセンターの場合、冷却装置の年間電力料
金が数億円規模になります。FloVENTを活
用し冷却効率を最適化することにより10％
以上の冷却装置の省エネを実現できます。
つまり、年間数千万円のコスト削減を達成
することができるのです。充実したモデル・
ライブラリによる使い勝手の良さと
FloTHERMで培ってきた技術をベースにし
た高い精度を実現しています。クリーンルー
ムのシミュレーションにも最適です。
メンター･グラフィックスが新たに提供する熱問題ソリューション・ツール
New Products -2
T3Ster
TERALED
FloEFDシリーズ
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http://supportnet.mentor.com/japan/SupportNet Information
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カスタマ･サポート部門では、E-mail News「SupportPro 技術情報ニュースレター」を毎
週配信しています。技術情報ドキュメント、AppNote、TechNote、How-To動画の最新
情報が主要な内容ですが、このほかにもSupportNetのアップデート情報、サポート部
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N e w s a n d V i e w sWinter 2009 Vol .26
●発行日 2009年1月31日（季刊）●発行人 メンター・グラフィックス・ジャパン株式会社●編集人 News and Views 編集部
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TEL：(03) 5488ｰ3035E-mail：[email protected]
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