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去年我們發(fā)布的《芯片設計五部曲》，還挺受歡迎的：
芯片設計五部曲之三 | 戰(zhàn)略規(guī)劃家——算法仿真
不少人輾轉問過我們下一集什么時候出。放心，我們不鴿。第四集這不就來了嘛，雖遲但到！
前幾集我們已經分別深入了模擬IC和數字IC的設計過程，展開了解了算法仿真的四大特性，以及結合EDA工具特性和原理，如何利用計算機技術提高模擬與數字芯片的研發(fā)設計效率。
就像我們在模擬IC篇講的：射頻芯片作為模擬電路王冠上的明珠，一直被認為是芯片設計中的“華山之巔”。隱藏在其設計過程中的取舍與權衡，完全值得單開一篇。
射頻芯片不是你想象中的射頻芯片
射頻（Radio Frequency，簡寫RF），指用于無線電通信的頻率范圍，對應的電磁波頻率范圍在300kHz～300GHz之間。射頻芯片（RFIC），指能接收或發(fā)射射頻信號并對其進行處理的集成電路，一般包括功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA）、濾波器（Filter）、雙工器或多工器（Duplexer或Multiplexer）、開關（Switch）、天線調諧模塊（ASM）等。
RFIC應用領域有：移動通信、衛(wèi)星通信、雷達系統、射頻識別（RFID）、傳感器等。
射頻電路，是一種特殊類型的模擬電路，是模擬電路在高頻領域的分支。最早的射頻電路是通過昂貴的分立電路元件搭的，直到CMOS工藝實現了把所有器件集成在一片芯片上，提高了系統的集成度與性能，同時也降低了成本。
摩爾定律發(fā)展到后期，隨著電路和芯片復雜度提升，高頻下的電磁相互作用對射頻硬件的干擾開始引起了關注。信號反射、串擾和電磁干擾（EMI）以及元件自身的寄生效應（也叫寄生參數效應，是指在電路或系統中本來不希望存在但實際存在的一些額外參數或效應），會降低電路性能。在低頻電子線路或者直流電路中，元器件的特性很一致。
而在高頻影響下，所有的器件都是電阻、電感和電容的組合，存在寄生參數。
射頻電路中，理想的電阻、電容和電感在實際中并不存在。電阻不是電阻、電容不是電容、電感不是電感、導線也不是導線。這些元器件都不是你想象中的元器件，不再只是一個簡單、孤立的物理器件，還包括了自身的材料特性、工藝，以及與周圍空間環(huán)境的交互。頻率越高，影響越大。
以一根導線為例：
同樣一根導線，在射頻領域，導線不能被識別成導線，存在趨膚效應，即在頻率很高的時候，電流在導線內部不是均勻流動的，會集中在導線的表面，中心部分基本沒有電流通過。
這是因為高頻電流通過的時候，在導線內部會產生一個軸向的交變磁場，該交變磁場會再度產生一個環(huán)形的徑向交變電場，該電場對導線外層電流進行加強，與內層電流相抵消，從而導致導線傳輸電流時，電流聚集在導線外層，而內層“空心化”使得整體效率減低，耗費金屬資源。這時候，需要根據不同的頻率去考慮電流在導線里面的分布情況。
因此，射頻芯片的設計不能僅僅針對元器件本身建立數學模型，還需要針對高頻情況下的整個三維電磁環(huán)境做電磁學建模仿真。
隨著電子技術的發(fā)展，電路的集成度和工作頻率不斷提高，如何利用更先進的電磁場仿真技術，精確預測和分析寄生參數對電路性能的影響，是射頻設計工程師們的重要課題之一。
射頻IC設計 VS 模擬IC設計
看起來只差一步，其實大不相同
一顆射頻芯片的完整設計流程如下：
跟模擬芯片相比，主要是多了電磁仿真這一過程。
看起來只多了一小步，但卻是芯片設計工程師們的一大步。
01、工程師知識與能力儲備
射頻工程師和模擬工程師，是從同一根技能樹上生長出來的。但是，大家都說，射頻工程師做模擬沒問題，反過來就不行。
為啥？
從知識儲備角度
模擬工程師主要學習模擬集成電路、信號系統與高數/物理相關知識。
射頻工程師除了模擬相關知識之外，還需要專門學習射頻集成電路、電磁場與通信原理等課程。
有人問過射頻芯片界大神——UCLA的Asad.A.Abidi教授一個問題：“Dear Professor, which classes do you think are of the most importance for RF IC research as an undergrad?” 意思是，親愛的教授，哪門課程對學習RFIC最重要呀？
教授說：“All of them. Believe me, all of them.”答案是，每一門。
從經驗能力來說
模擬芯片的設計已經非常吃經驗了，射頻芯片在這方面有過之而無不及。射頻IC設計與電子元器件關系緊密，設計匹配布局復雜，需要熟悉大部分的元器件特性及不同的生產制造封裝工藝。因為射頻電路可能會因附近的外部電路、電場/磁場、溫度、電磁信號和其他環(huán)境因素的干擾而經歷巨大的性能變化，對所有這些因素的建模與預測分析幾乎可以上升為玄學。
對工程師來說，不同實際應用場景下的經驗通用性不強，牽涉性能指標多，整體輔助工具少，往往需要挑戰(zhàn)工藝極限。整個設計過程中存在對諸多指標的權衡與取舍，有很大的不確定性，對設計者的經驗要求極高。
這也是為什么很多射頻IC設計公司都是IDM（Integrated Design and Manufacture，垂直整合制造）模式，因為需要多種不同的生產工藝，與foundry廠的生產鏈各環(huán)節(jié)緊密關聯，門檻相當高。
02、電路物理模型
從電路物理模型角度，射頻芯片可以說是模擬芯片的高階現實版，模擬芯片算是抽象簡化版。
模擬芯片屬于集總參數電路，是一種常用的簡化電路模型。它將電路中的元件抽象為等效的電阻、電容和電感等參數，以簡化的形式描述了復雜電路的行為，減少了繁瑣的計算步驟。
歐姆定律和基爾霍夫定律是集總參數電路的兩個基本定律，只跟電路的連接方式有關，與元件的位置無關。模型是關于時間的單變量函數，屬于標量計算（即只有大小，沒有方向的量）。
適用于描述低頻電路或電路中信號波長遠大于電路尺寸的情況，是麥克斯韋爾方程在低頻電路中的特解。
公式一般長這樣，看著是能讓人算出來的樣子：
射頻芯片屬于分布參數電路，它將元件建模為具有空間分布的電阻、電容和電感。
分布參數電路考慮了電路中元件在電路中的位置因素，可以更準確地描述信號傳輸過程中的相位、功率損耗等因素；也考慮了電路中各個導線和元件之間的長度影響，即電流或信號在空間上的分布變化。
對應的算法和理論基礎的是麥克斯韋爾方程組和電磁場、電動力學。模型是關于時間與位置的多變量函數，是復變函數，屬于張量計算（可理解為一個n維數值陣列）。
適用于描述高頻電路或電路中信號波長大于等于電路尺寸、頻率特性受傳輸線長度影響較為顯著的情況。
公式一般長這樣，人是算不出來的，要用計算機輔助：
總結一下，射頻芯片與模擬芯片在電路物理模型上的差異：
03、仿真計算特性
關于模擬芯片設計的計算特性，我們在《五部曲-模擬IC》里重點介紹了兩大常見數值計算場景：多corner和蒙特卡羅Monte Carlo，這兩種方法的單個任務之間都相互獨立，沒有數據關聯，很適合進行分布式并行計算。
但每一個任務進行的都是瞬態(tài)仿真，用于分析電路在特定時間段內電壓和電流的變化趨勢，仿真結果跟上一個時間的狀態(tài)相關，是個串行的過程。
單純求微分方程數值解，數據量相對較小，主頻敏感，計算并行受限較大。
在時域分析上，計算量大，在頻域上計算量小。
常用工具Spectre，有針對AVX512指令集優(yōu)化（以并行方式對大量整數或浮點數執(zhí)行算術運算）。
射頻芯片設計的計算特性，在模擬芯片的基礎上，還是很不相同的。射頻電路對頻率敏感，通常在頻域中建模，在頻域和時域分析上，計算量均較大。常用FEM有限元分析法對目標電磁場空間進行切割，劃分成大量四面體，再對每個較小的區(qū)域進行計算分析。
無論是對不同頻域的取點，還是有限元法的切割，天然具備多線程與分布式優(yōu)勢，適用并行計算，存在大量SIMD指令（即單指令多數據運算，其目的就在于幫助CPU實現數據并行，提高運算效率）。
張量計算，數據量大，算力需求高。
常用工具ADS，有針對AVX512指令集優(yōu)化。
因為是求解空間問題，所以部分工具可用GPU。
總結一下，射頻芯片與模擬芯片在仿真計算特性上的差異：
三種電磁場仿真技術
FEM/MoM/FDTD
近些年，主要有三種電磁仿真技術：FEM有限元分析、MoM 2.5D矩量法和FDTD有限時域差分法。
原則上，他們都能解決相同的問題，但卻有各自更適合的場景。
01、FEM有限元分析
FEM（Finite Element Method）有限元分析法是真正的3D場求解器，可以分析求解任意形狀的3D結構，是最靈活的電磁仿真分析方法，也可以說是一種暴力破解算法。
這種算法將整個幾何模型劃分為大量四面體，每一個四面體都是由四個等邊三角形組成。也就是說，整個目標空間被劃分為N個較小的區(qū)域，并用局部函數表示每個子區(qū)域中的場。
然后把一個個空間拿出來，對微分形式的Maxwell方程在頻域進行求解，其求解的未知量是每一個小網格的電場與磁場。對于幾何復雜或電氣大型結構，網格可能會變得非常復雜，形成具有許多四面體的網格單元，導致需要求解巨大的矩陣。
所有端口激勵只需要一個矩陣求解。
通常用于復雜3D結構的求解，整體消耗仿真資源大，仿真速度慢。
02、MoM 2.5D矩量法
FEM有限元分析是一個三元方程組，計算量很大。
而MoM（Method of Moments）2.5D矩量法，是專門針對3D層狀結構出的優(yōu)化算法。它根據半導體平面工藝的結構，做了一定數學上的簡化和等價，把三個未知數簡化成兩個未知數，加快了求解速度。
這種算法的關鍵在于：整個幾何模型的背景結構信息都包含在了格林函數中，同一介質上的不同結構，只需要計算一次格林函數。所以只需要對需要求解的金屬結構劃分網格，通常由矩形、三角形和四邊形網絡單元組成。
因此，“平面”MoM網格比FEM所需的等效“3D體積”網格更簡單且更小。而網格單元數量的減少可以減少未知數并實現極其高效的模擬，這使得MoM非常適合復雜分層堆疊結構的分析。MoM矩量法對積分形式的Maxwell方程在頻域求解，需要求解的未知量為金屬的表層電流分布。得到電流分布之后，仿真器再根據格林函數進行數值積分，即可得到求解空間任何點的場分布。
所有端口激勵只需要一個矩陣求解。
理論上，對于任意結構或者非均勻介質，矩量法也可以求解。但需要對背景環(huán)境進行額外描述，導致未知量數目上升，求解效率下降，反而不如求解微分方程的FEM有限元分析法高效。
因此，MoM矩量法不適用于一般的三維結構，主要適用求解3D層狀結構，常用于片上無源器件。
03、FDTD有限時域差分
FDTD（Finite Difference Time Domain）有限時域差分法，跟FEM一樣，也是真正的3D場求解器，可以分析任何形狀的3D結構。
FDTD通常使用六面體網格單元（也就是“Yee”單元），對微分形式的Maxwell方程在時域進行求解，當前時刻的電場磁場矢量值由結構中前一時刻的電場磁場值以及它們的變化情況直接計算得出。
相對于FEM和MoM的顯著優(yōu)勢之一是FDTD技術不需要矩陣求解，對于時域上的問題，即便復雜結構的求解也僅使用少量內存，非常高效。FDTD 還非常適合并行化，這意味著可以利用GPU處理能力來加快模擬速度。
必須為幾何N端口設計上的每個端口運行一次仿真。
小結
MoM仿真速度會更快，但是FEM的應用范圍更廣更靈活。
如果待求解的結構是“平面”或者說層狀結構，可以優(yōu)先使用MoM仿真，提高設計效率。比如PCB互連、片上無源器件以及互連和平面天線。
當然，如果結構很簡單，采用FEM分析也差別不大。如果考慮幾何形狀的復雜性和問題大小，FEM為大量端口問題提供了最有效的解決方案。FDTD在時域進行求解，這意味著它對于連接器接口和轉換執(zhí)行時域反射計 (TDR) 分析非常有用。
射頻_電磁場仿真工具 HFSS/ADS/EMX
電磁場模擬已經越來越成為射頻電路設計人的必備技能之一。尤其是專門為射頻和微波電路分析而開發(fā)的計算機輔助工具的使用，讓射頻芯片工程師能夠獲得前所未有的仿真能力。
當然，這并不意味著有了工具就能解決電磁仿真問題，前面已經反復說了，RFIC設計對經驗要求非常高。但通過使用更高效的電磁仿真工具，工程師可以相對低成本地驗證設計概念，或在仿真中融入更完整更真實的數據，減少外部條件限制。
目前，業(yè)界主流仿真工具主要有HFSS/ADS/EMX。在射頻領域，TA們有不同層級的仿真對象：EMX是芯片級，ADS是板級，HFSS是模塊級。雖然都叫電路，都是同一套物理規(guī)則出來的東西，但是制造工藝和尺寸不一樣，所以適用不同的工具。
01、HFSS
HFSS，是世界上第一款商業(yè)化的3D電磁仿真軟件，堪稱電磁場仿真業(yè)界標桿，現在屬于Ansys公司。
HFSS使用的是FEM有限元分析法，所以非常通用，適用于任意3D結構。
但通用也就意味著沒有強針對性，HFSS把一套叫做有限元分析的數學方法應用在了電磁學領域，當然，也可以應用在其他工程領域。因為沒有對芯片設計領域做專門優(yōu)化，軟件交互方面不夠友好。
HFSS主要面向的是波導、傳輸線那種比較大的射頻元件和模塊設計，偏宏觀的電磁仿真。
如果要界定領域的話，HFSS比較難評，既可以放到CAE領域，也可以放到EDA領域。一般而言，在智能制造/汽車制造場景下用HFSS進行電磁場仿真更多，當然，也可以用于部分芯片設計場景。
我們寫過一篇實證，詳情可戳：超大內存機器，讓你的HFSS電磁仿真解放天性
02、ADS
ADS和EMX就不一樣了，是純粹的EDA領域工具，在處理芯片設計場景的電磁場仿真使用較為廣泛。
這類電磁場仿真工具在算法上，通過Maxwell方程組求解元件的空間電場分布，將元件映射為特定的RLC電路，做到“化場為路”。這既能降低仿真分析難度，又能將元件的有限元物理模型，轉換成對應的Spectre/HSPICE網表，供一般電路仿真工具使用。
ADS，屬于Keysight是德科技，針對射頻芯片電路有專門的優(yōu)化和研發(fā)，既可以做三維電磁場仿真，也可以針對PCB布局和部分集成電路設計場景。Keysight跟各大元器件廠商都有廣泛合作，可以提供最新的Design Kit供用戶使用。
ADS適合對片上的電路/元器件做分析仿真，適用小規(guī)模RF/MMIC設計，如果需要模擬一個大的模塊，HFSS可能更合適。
ADS同時支持FEM有限元分析法與MoM 2.5D矩量法，也可選FDTD有限時域差分。
MoM適用于層狀結構，而使用FEM或FDTD方法時可以適用任意3D結構。
ADS與其他工具兼容良好，免去跨平臺數據導入導出，對Virtuoso提供比HFSS更好的兼容性。
在電磁與射頻的設計中，經常需要通過HFSS設計天線，然后通過ADS來驗證電路，這個時候就需要兩者的聯合仿真，以S參數作為中繼。
而根據前面提到的，射頻電路因為高頻產生的電磁場效應，會因為外部環(huán)境因素的干擾經歷巨大的性能變化。所以，射頻芯片在設計之初就需要Foundry廠提供的相關工藝信息，因為需要知道整個芯片制作工藝里面的材料特性和工具結構才能仿真建模。
早期，ADS占據絕對主導地位，Foundry廠會提供基于ADS的PDK文件，現在逐漸也開始提供基于EMX的工藝文件。
03、EMX
EMX是專門針對射頻集成電路設計開發(fā)的，作為EDA常用工具Cadence的插件存在，能與TA無縫集成，對工程師們極為友好。
芯片級的集成電路分析，屬于微觀尺度，一般使用EMX最為合適。EMX只支持MoM 2.5D矩量法，專門針對片上無源器件等層狀結構分析，不適用bonding wire、BGA、PGA封裝等非層狀結構，橫截面非直線金屬結構。HFSS 17.2和19版之后的ADS支持GPU處理電磁場仿真任務，且通過并行化處理后，效率提升十分顯著；EMX作為Cadence里的插件暫不支持GPU任務。
三種射頻芯片電磁場仿真工具對比
下載ECAD模型
