Rissiek, W.: Durchgehende Werkzeugkette vermeidet Design-Iterationen

<BODY> <H1>www.duv24.net : Rissiek, W.: Durchgehende Werkzeugkette vermeidet Design-Iterationen</H1> <P> <BR> [<A href="/">www.duv24.net</A>] [<A href="../index.html">back</A>] </P> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=TOP CLASS=detailBereichRedaktion>Bereich > Redaktion > <B><FONT color="#CC3300">Fachbeiträge</FONT></B></TD> <TD ALIGN=right VALIGN=bottom CLASS=detailDatum>20.11.2000</TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailFirma ID=topSpace>Zuken GmbH:</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailTitel>Rissiek, W.: Durchgehende Werkzeugkette vermeidet Design-Iterationen</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailSubtitel>Schnelle Abstrahlungs- und Signalsimulation ermöglicht frühzeitige Abschätzung des Schaltungsverhaltens</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailContent>Erschienen in DESIGN&VERIFICATION 0/2000, S. 79<BR><BR><BR>Vorwort<BR><BR>Kontinuität und ‚Concurrent Design‘-Fähigkeit sind die Schlüsselelemente für Design-Tools, wenn es darum geht, SI- und EMV-Analysen zu integrieren und schnell Simulationen durchzuführen, welche Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit und Funktionalität des Designs erlauben.<BR><BR><BR><BR>Als die europäische EMV-Gesetzgebung in Kraft trat, waren anfänglich viele Entwickler davon überzeugt, dass es nicht notwendig sei, Designs in Hinblick auf Effekte wie beispielsweise elektromagnetische Einstrahlungen(EMI) oder die Qualität der Signalintegrität (SI) zu simulieren. Die steigenden Anforderungen an die Leistung von elektronischen Systemen zwingen mittlerweile vermehrt Entwickler dazu, nach solchen Designwerkzeugen zu suchen. Speziell bei den Bauteilen für den PC- oder Telekommunikationsmarkt steigt die Taktfrequenz kontinuierlich, d.h., dass die auftretenden Schaltzeiten zwischen den Flanken immer kürzer, bzw. die Flanken immer ‚steiler‘ werden. Designer, die diese Performance eigentlich nicht benötigen stehen trotzdem vor dem Problem, dass langsamere Bauteile vom Markt genommen werden und nicht mehr für Designs verwendet werden können. Damit liegen High-Speed-Design-Techniken auch bei den sogenannten Low-Performance-Systemen immer mehr im Trend.<BR><BR>Schnelle Marktreife durch nahtlose Tool-Kette<BR><BR>Der Schlüssel zu einem erfolgreichen und wirtschaftlich vertretbaren Design, verbunden mit einer schnellen Marktreife liegt darin, die Werkzeuge für die Untersuchung der Signalintegrität und Elektromagnetische Verträglichkeit eng in einen regelbasierten Design-Flow einzubinden. Dieser Ansatz erfordert allerdings von Ingenieuren, die bisher für diese Untersuchungen separate Zusatzwerkzeugen eingesetzt haben, eine fundamentale Veränderung der Arbeitsweise.<BR>Kontinuität und ‚Concurrent Design‘-Fähigkeit sind die Schlüsselelemente für Design-Tools, wenn es darum geht, SI- und EMV-Analysen zu integrieren und schnell Simulationen hinzuzufügen, welche Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit und Funktionalität des Designs erlauben. <BR>Die ‚Concurrent Design‘-Fähigkeit ist insbesondere dann essentiell, wenn restriktive Flächen- und Kosten-Regelsätze einzuhalten sind, da der Designer nur dann beim Platzierungs- und Entflechtungsvorgang interaktive größtmöglichen Einfluss unter Beachtung der Spezifikationen nehmen kann. Werden dann erst nachträglich oder außerhalb der Designumgebung EMV- und SI-Regeln angewendet, kann das Ergebnis ein nicht entflechtbares Design sein und mehrere teure Design-Iterationen zur Folge haben. Es ist daher bei weitem effektiver, SI- und EMV-Probleme frühzeitig während des Design-Flows zu erkennen und zu beheben. Dazu ist eine enge Einbindung aller erforderlicher Werkzeuge als Teil eines Prototyping-Tools erforderlich, wie dies z.B. Zuken bei ‚Hot-Stage‘ erreicht hat. Werkzeuge von Drittanbietern leiden hier in der Regel unter einem wesentlichen Nachteil: Sie lassen sich nicht nahtlos in den Design-Flow integrieren.<BR><BR>Regelbasiertes Design<BR><BR>Das Kernstück eines modernen Design-Flows bildet eine sogenannte Constraint-Engine, die – wie im Falle der Design-Tools von Zuken – aus einem leicht zu bedienenden Spreadsheet, dem ‚Constraint Manager‘ besteht. Dieses mächtige Werkzeug eröffnet dem Designer eine Vielfalt an Möglichkeiten, ohne die leichte Bedienbarkeit zu gefährden:<BR>Der Constraint Manager verwaltet alle Designregeln und gibt dem Entwickler jederzeit einen Überblick über den Stand seines Designs während des gesamten Designprozesses. Das Werkzeug kann aber auch dazu verwendet werden, Regeln zu modifizieren und in den Designprozess einfließen lassen, um sie dann wieder für die nächste Ebene des Entwurfs zur Verfügung zu haben. Auch eröffnet es Möglichkeiten für das Synthetisieren von neuen Designregeln, die der Anwender zu Beginn der Entwicklungsphase noch nicht klar formulieren konnte.<BR>Dazu kann das Spreadsheet mit einer wissenbasierten Datenbank verbunden werden, die beispielsweise die Erfahrungen und das Wissen der Entwickler aus früheren Designs enthält und Elemente oder Komponenten aus früheren Designs automatisch erkennt sowie die dazu gehörigen Designregeln aufruft und aktiviert.<BR>Der Constraint Manager hält alle benötigten Daten um das Floorplanning, das Entflechten und das physikalische Design voran zu treiben. So kann zum Beispiel ein kritisches Netz zuerst vorentflochten, analysiert und dann festgeschrieben werden, bevor der Rest der Leiterbahnen entflochten wird.<BR><BR>Genauigkeit/Leistungs-Verhältnis im Auge behalten<BR><BR>Der Entwickler muss allerdings gleichzeitig verhindern können, dass eine Art der Überregelung entsteht, die es unmöglich macht, ein Design auch herstellen zu können. Das ist der Grund dafür, dass die Einflussnahme des Entwicklers auf in Zukunft die optimale Vorraussetzung dafür ist, den bestmöglichen Weg für die Design-Realisierung zu finden.<BR>Das folgende Beispiel aus der Praxis verdeutlicht die Problemstellung: Eine nach den Designregeln eines Halbleiterherstellers entwickelte Schaltung, dessen Herzstück ein Mikroprozessor war, hätte eine 16lagige Leiterplatte erfordert. Damit war die Funktionalität zwar sichergestellt, die Herstellung aber viel zu teuer. Das Designerteam konnten aufgrund seiner Entwicklungserfahrung einige Designregeln als nicht entscheidend identifizieren und so die Zahl der Lagen auf zwölf begrenzen und damit die Kostenvorgaben einhalten. <BR>Der Entwicklungsprozess kann nicht mehr als linearer Vorgang angesehen werden. Selbst der Einsatz der weltbesten Point-Tools ist problematisch, da sie erfahrungsgemäß die interaktiven Zyklen eines Designprozesses verlangsamen. Ein nahtlos integrierte Kette von Werkzeugen führt vielleicht nicht zum bestmöglichen Ergebnis, bietet aber das beste Genauigkeit/Leistungs-Verhältnis.<BR><BR>Neue Algorithmen beschleunigen Simulation<BR><BR>In der Vergangenheit waren für die Untersuchung von Signal- und EMV-Verhalten hochgenaue und hochkomplizierte Simulationswerkzeuge erforderlich, die schwer zu bedienen waren, kaum in bestehende Design-Flows zu integrieren waren und häufig mehrere Stunden Rechenzeit für die Lösung der Aufgaben benötigten. Durch den Einsatz neuer Simulationstechniken können Signalintegritäts- und EMV-Analysen vollständig in einen bestehenden Design-Flow eingebunden werden.<BR>Die zugrundeliegende Technologie hat ihren Ursprung in der Universität von Missouri at Rola (UMR) und eine ganze Reihe von ‚Electronic Design Automation‘-Firmen, eingeschlossen Zuken, haben neue Algorithmen entwickelt. Diese basieren auf der schnellen Erfassung von Strahlungen und sind anders zu erklären als z.B. der Einsatz der Finite-Elemente-Analysen oder Methoden der momentanen Erfassung aller Ströme von allen verbundenen Lagen, die ‚en detail‘ im Computer dargestellt werden und dann dazu dienen, Entscheidungen darüber zu treffen, ob die Strahlungen Auswirkungen haben. Diese hochgenauen Techniken sind dann angebracht, wenn detaillierte Strukturen aufgezeigt werden müssen. Die Methoden der Momentenerfassung des Gesamtverhaltens einer Schaltung wurden auch von der früheren Incases (jetzt Zuken) für ganz spezielle Fälle entwickelt und von HF- und RF-Designexperten eingesetzt.<BR>Im Gegensatz dazu partitionieren die UMR-Algorithmen die differenten Strahlungen als Ergebnis der Differenzerfassungs-Methode (Erfassen der verschiedenen Rauschabstände – abhängig von den unterschiedlichen Strahlungen – zum Grundrauschen der Schaltung). Dabei werden Ströme in Strukturen wie Wärmefallen, Kabeln u. ä. induziert und davon sogenannte Dipole gebildet. Die Algorithmen beachten dabei alle parasitären Effekte die von diesen Dipolen ausgehen und summieren sie zu einem Gesamtüberblick über das EMV-Verhalten der Schaltung.<BR>Das sieht zwar nach einer groben und nur ungefähren Analyse aus, liefert aber dem Entwickler eine schnelle Entscheidungshilfe in Form einer Ampel-Darstellung der Strahlungen und ihrer Auswirkungen auf die Schaltung. Bei rot sind echte Probleme wahrscheinlich, bei gelb sind weitere Analysen notwendig und nur bei grün kann sich der Entwickler sicher sein, innerhalb der Grenzwerte zu liegen und das EMV-Verhalten richtig eingeschätzt zu haben.<BR>Der Vorteil dieser Analyse ist, dass der Entwickler auch für ein hochkomplexes Board für die Untersuchung gerade mal eine halbe Stunde Zeit benötigt und nicht mehr mehrere Stunden, wenn nicht sogar Tage. Da die angewandten Algorithmen auf einer Partitionierung basieren, kann der Entwickler den Weg zurückverfolgen, um den betreffenden Dipol herauszufinden, der die Störung verursacht hat und so nach einer potentiellen Lösung suchen.<BR><BR>Ergebnis reicht an Genauigkeit von 3D-Field-Solvern<BR><BR>Die Evaluierung der unterschiedlichen Algorithmen zeigt, dass diese Screening-Methode gleichwertige Formen und ähnliche Größenordnungen aufzeigt wie diejenigen von hochgenauen 3D-Field-Solvern, wenn alle Elemente modelliert sind. Diese Methode ist aber dann als kritisch einzustufen, wenn neue Basismaterialien oder andere Strukturen wie Microbohrungen und Induktivitäten eingesetzt werden und dafür erst wieder neue Modelle zu schreiben sind. Denn nur mit diesem ‚Modell-Update‘ kann sicher gestellt sein, dass die Ergebnisse auch die neuen Gegebenheiten berücksichtigen.<BR>Im Falle der Zuken-Werkzeuge wird das mit dem Einsatz des ‚Field Solvers‘ bewerkstelligt, der einen neuen Strahlungseffekt modelliert, um zu einem genauen Ergebnis zu kommen. Letzteres ist die Basis für eine neues Modell für den Screening-Algorithmus.<BR>Neben der erreichbaren Genauigkeit ist bei der Signalintegritätsanalyse aber auch die Leistung entscheidend. Frequenzbereichsanalysen, durchgeführt mit einem 500-MHz-Pentium-III-Rechner, sind schnell und können über 100 Netze in einer Sekunde untersuchen, wobei nur das Verhalten von linearen Komponenten genau untersucht wird. Auf der anderen Seite basieren die Laufzeitanalysen auf der Transmission-Line-Analyse, die natürlich auch nichtlineare Komponenten wie Buffer beinhalten kann. Hier verschlechtert sich die Simulationszeit auf nur ein Netz pro Sekunde.<BR>Hin und wieder kann die Frequenzbereichsanalyse ihre Vorteile haben. Für Treiber- oder Empfänger-Stufen mit Clamping-Charakteristik zeigt die Frequenzanalyse die Überschwingungen auf, die normalerweise von den Clamp-Dioden unterdrückt werden. Die Zeitbereichsanalyse wird diesen Effekt nicht aufzeigen können. Einige Entwickler wollen aber gerade die Überschwingereffekte visuell wahrnehmen, bei denen es zu einem unnötigen Energieverbrauch durch aggressives Clamping kommt, was die Fehlerrate in die Höhe treiben kann, da die Clamping-Dioden den Strom gegen Ground treiben und bei einer entsprechenden hohen Taktfrequenz schneller versagen. Mit diesem Wissen um das Übersprechen und das resultierende Verhalten daraus kann der Designer seinen Entwurf abändern und so die Probleme beseitigen.<BR><BR>Zusammenfassung<BR><BR>Simulationswerkzeuge können ihre volle Leistungsfähigkeit nur dann zur Geltung bringen, wenn sie sehr eng in den bestehenden Design-Flow integriert sind. Aus diesem Grunde muss eine Entwicklungsumgebung nicht nur eine leistungsfähige Analyse unterstützen, sondern muss ebenfalls ‚Best In Class‘-Werkzeuge wie z.B. Autorouter integrieren können. Nur eine solche vollständige Integration stellt eine konsistente Einhaltung der Regeln innerhalb der Designphasen – von der Entwicklung bis hin zum physikalischen Design – sicher. Diese Vorgehensweise stellt sicher, dass alle Designspezifikationen durch das komplette Design durchgeführt werden, ohne sie zu verändern.<BR></TD> </TR> <TR> <TD CLASS=detailQuelle> </TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=1 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top></TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=393 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=28 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=174 HEIGHT=1 ALT=""></TD> </TR> </TABLE> <P><I>Diese Seite wurde am 25.09.2004, 13:11 Uhr aktualisiert</I></P> </BODY>