如何应对物联网芯片中电磁场仿真挑战

随着物联网（IoT）芯片工作频段的增加和工作频率的提高，面对多样的芯片制造工艺， 更小的互联线尺寸，如何才能实现电路寄生参数的精确提取？如何评估温度和制造工艺偏差等对无源器件特性的影响？如何才能快速智能的收敛得到物联网芯片电路设计中所需的无源器件？有没有一套系统的分析方法，来应对物联网芯片中电磁场仿真的这些挑战？

物联网芯片市场概况

物联网（IoT）开启了数百亿互联智能设备相互通信的潜力，仅2019年全球物联网总连接数都已达到120亿，预计到2025年全球物联网总连接数规模将达到246亿，而我国的物联网连接数也将达到80.1亿。截止到2020年，我国物联网产业规模已突破1.7万亿元。“物”随“芯”联，“芯”伴“物”动，物联网芯片作为物联网多应用场景的核心，整个产业链的上游，预计其市场规模在2022年时将达到107.8亿，销售额的复合年增长率也有望达到13.3%。

图1 物联网应用场景及特征分析

物联网芯片设计中的挑战

1 更多的工作频段和更高的工作效率

相较与传统通信设备中的通信芯片只负责连接和传输信号，物联网领域的应用场景有明显的特殊性，覆盖有线和无线通信模式，并且无线通信模块也涉及从WiFi、BT（蓝牙）、ZigBee的短距离通信到NB-IOT、LTE Cat1、5G等物联网长距离通信网络体系，无线通信类型种类繁多，涉及到需要支持的频段及频段组合也显著增加，NB-IOT、5G等长距离通信网络的应用也带来了更高的工作频率的要求。同时，物联网芯片的射频连接稳定性、低成本和爆发式的需求增长又对电路设计者提出更高的要求。从物联网芯片设计中无源参数提取的角度来看，在如此复杂的电磁应用环境下，寄生参数的特性分析及电路中关键无源器件仿真精度等要求都给电磁仿真器带来了更高的挑战。

2 复杂的芯片制造工艺应用场景

物联网芯片设计中需要充分利用各种不同芯片制造工艺的优势，进而来提高电路的性能。目前主流的工艺包括CMOS， SOI和SiGe Bi-CMOS等。低功耗的CMOS工艺往往是电路设计者的首要的选择，并且为了降低成本，其工艺节点越来越小。对于设计者来说，需要对不同芯片制造工艺下的衬底结构、金属层和介质层材料等进行有针对性的建模，才能更好的对器件特性及寄生参数进行精准的模拟和提取。同时还要考虑，工艺节点引入的工艺偏差和环境温度变化对器件特性产生的影响。这些分析要求电磁仿真工具具有更高的精确。

3 芯片多样性和集成度增加

物联网芯片设计中需要充分利用各种不同芯片制造工艺的优势，进而来提高电路的性能。目前主流的工艺包括CMOS， SOI和SiGe Bi-CMOS等。低功耗的CMOS工艺往往是电路设计者的首要的选择，并且为了降低成本，其工艺节点越来越小。对于设计者来说，需要对不同芯片制造工艺下的衬底结构、金属层和介质层材料等进行有针对性的建模，才能更好的对器件特性及寄生参数进行精准的模拟和提取。同时还要考虑，工艺节点引入的工艺偏差和环境温度变化对器件特性产生的影响。这些分析要求电磁仿真工具具有更高的精确。

综上所述，更多的工作频段与更高的工作频率，复杂的制造工艺，多样性和集成度的增加，这三大特点给物联网芯片设计带来了很多难题，集中在：1.芯片寄生参数的特性分析；2.电路中关键无源器件精确仿真；3.工艺偏差和环境温度变化对器件特性产生的影响；4.快速的设计收敛得到电路中所需的无源器件。接下来，我们将为您介绍目前行业里应对上述难题主要的途径——芯和物联网芯片电磁仿真解决方案。

芯和物联网芯片电磁仿真解决方案

物联网应用场景广泛多样，包括物联网连接和处理芯片，蓝色虚线范围内是连接模块设计，包括 RX/TX/RF/PA/LNA/Switch。本文我们介绍的解决方案希望能够帮助电路设计者针对这些模块进行高效的无源结构仿真、建模、提取和优化。

图6 芯和物联网芯片常用架构设计电磁仿真解决方案

1 无源结构的多工艺角快速提取

我们针对多工作频段、高工作频率和多工艺场景提供了一种基于 Cadence Virtuoso 设计平台的电磁仿真提取工具 IRIS，它通过了所有主流晶圆厂在 CMOS/FinFET/SOI/SiG等多工艺节点上的严格认证。IRIS 结合3D全波求解技术，满足从DC到毫米波段的提取精度要求。使用者可以灵活创建仿真单元模块，然后运用多线程/多核技术、MPI多机处理技术将复杂的仿真问题分解，提高仿真的效率。IRIS软件进行集成无源器件仿真分析时配合工艺角与温度扫描模块，可以达到快速了解工艺状况和器件随工艺变化的特性，对电路设计者预测由于工艺偏差而带来的器件特性变化对最终电路性能的影响具有指导意义。

2 无源器件的高效建模

此外，我们的方案中还包括了一款基于神经网络算法的无源器件定制平台iModeler。用户利用这款工具中内置的多套面向物联网芯片设计中需要的电感、变压器等模板可以快速创建PCell，然后依据个人设计经验在IRIS内快速收敛得到满足电路设计需求的无源器件版图结构，也可以利用模板内的多种辅助选项，实现无源器件的正向和方向提取，进而获取满足电路设计要求的器件。

总结

本文介绍了物联网芯片所具有的特征：更多的工作频段和更高的工作频率，复杂的多芯片制造工艺应用场景，芯片多样性和集成度增加，它们给芯片设计带来了新的挑战。芯和半导体针对这些挑战，推出了系统性的物联网芯片电磁仿真解决方案：利用IRIS/iModeler软件，实现了快速高精度的无源器件及互连寄生的电磁仿真，无源器件优化建模等应用，极大地提高了电路设计师的设计精准度和设计效率，提速产品市场投放。

责任编辑：haq