31
了解完仿真器的特点，你也就明白了做 Model、想“洞见”所需要的“时间”和“精度”怎么办呢？想要时间上快快快，就尽量的向 Digital 仿真器靠拢；想让精度上准准准，就尽量的向 Analog 靠拢。做 Model，就是永远在做两件事情：做加法、做减法。做不同的加减法，就得到不同的 Model 级别。由于大部分 Analog 出身的人，最熟悉不过的就是 Schematic 了，所以对于一个 ADV 而言，对 Schematic 的加法，可以得到：Critical Part Model；BA Model。对 Schematic 的减法，可以得到：VerilogA；VerilogAMS；Real Valued Model(RVM)；Verilog；Reference Model 等。下文将分级介绍。
Schematic
Schematic，也就是通过工艺直接给的 PDK，利用现在 EDA 工具，直接仿真，这对于 Design 而言，基本上狭义而言就就没人说它是 Model。但是它本质也是一种 Model，只不过 Process/EDA 等人已经把环境和数据妥妥得给你设置好了，像傻瓜照相机一样，你不用管三七二十一，直接用就行了。这个 Schematic 不需要耗费任何额外的经历，它是生活必需品。Layout 就指望着这玩意干活呢，DV 也指望着这玩意 Verification 呢。所以如上图所示，划分 Model 等级的时候，也特意把它作为 Golden 标准，其仿真速度也设置为 1x。
2.1 对 Schematic 的加法
问题是 PDK 总是能 cover 到我们想要的么？什么情况下，我们应该给这个自动的傻瓜式的 Schematic Model 做做加法呢？
Critical Part Model
其实工艺提供的 PDK，也是一种 Model，只不过是一种 Fab 经常验证、感觉比较精准的 Model。当电流太小的时候，PDK 曲线上给的数据还精准么？记住 PDK 上给的东西，大部分时候也是根据大多数人常用的范围、那里的数据是比较准确的；但是过大、过小了偏，都可能导致 Model 和实际的 silicon 之间有很大的不吻合；因为如前面介绍，Analog 要求处理的数据最好是连续的、光滑的；大大小小的电流、尺寸都照顾到，这该需要多么万能的数学表达式啊？如果都搞得这么精准，仿真器会不会更是慢成翔呢？当市场要求低功耗、你也在拼命的减小每条支路上面的电流的时候，千万记得，当你减小的太狠的时候，先去问问 PDK 当年建立 Model 的时候，那些数据是不是真实的；会不会只是数学表达式自己的外推推断（extrapolate）而得到的虚假数值而已。
当管子太大、layout 走线太长的时候，PDK 上面单个管子的参数是不是就不能那么比例的扩大了呢？所以就需要加入对大的管子，例如 powerFET 本身的走线电阻电容网络，对其人肉手工做 Model。
又例如，其实每个 device 都是有噪声的，Cadence 的仿真工具，也有这个功能：trans noise，ac noise。但是如果平时仿真，把 transnoise 功能打开（做个小广告：transnoise 可以在仿真的时候设置什么时候 turn on，什么时候 turn off，以后有空本公众号会介绍），那么仿真时间就蹭蹭的往上涨了。对于一些关键的、敏感的节点，如果很在乎噪声的影响，想快速的得到有噪声影响之后的结果的话，可以再发挥人肉 Model 的作用，自己去用 VerilogA/VerilogAMS 等去写一个随机变化的噪声源，那么就可以在不用打开 transnoise，不用大费 CPU 仿真时间的情况下，初步得到有 noise 时候芯片的表现了。
总之，就是当 PDK 提供的东西，已经不能满足你日益增长的 performance 的需求的时候，就要自己对于关键节点、自己在乎的信息“撸起袖子加油干”了，这就是所谓的 CriticalPart Model（这个词语没有看到哪里有专门介绍过，算是本人创造的哈）
BA Model
当 Layout 拿到手的时候，EDA 工具已经有非常完善的 LVS,QRC 了，所以你可以不花费太多力气就能拿到提取了 R,C,RC 等寄生参数的 av_extracted view 了，所以做做后仿真（很多人也叫它 Back Annotated simulation，BA sim）本身在设置上没有多大的困难。不过本来就是仿真笨拙的 schematic 仿真，现在又加了这么多 R，C，会不会仿真就更是慢了呢？而 Layout 都出来的时候，项目正是催着要流片的火急火燎的时候，有啥好办法不？当然传统的第一个方法就是 Subsystem 仿真了，把一些不重要的 block 换成 schematic，甚至 Model，只关心重要 block 的性能。另外，在提取 RC 的时候，把最小值设置的高一点，否则太多的虾兵虾将，将 Analog 仿真器要解的矩阵增大好多，而实际影响不大。还有一点有意思的事情是，如果只提取 C，而不提取 R 的话，那么整个电路的仿真时间并不会增加多少。原因是 C 并没有将电路仿真时候要求解的矩阵的信息增大。而如果提取了 R 的话，则大大的增加了求解矩阵的复杂程度，所以仿真时间长了很多。有一高手朋友特意给画了图，来解析这背后的原理：如果只有 C，A 节点依然是 A 节点；如果提取了 R，A 得裂变成 A1，A2…瞬间环路就来了。有木有一种瞬间秒懂的感觉哈？
总之，做加法的目的，主要就是在于提高精度。这是高性能的模拟 IC、模拟 IC 占很大比重的混合 IC 所在乎的。这还是仅仅讨论的芯片本身的做加法，如果再加上 Thermal Model, Package Model, Board Model, Transmission Line Model 等，就更是精准的实际 IC 应用环境了，这也是大的话题了，这里不再赘述。
2.2 对 Schematic 的减法
显然对 Schematic 做加法的弊端就在于其速度。如果关心速度，关心时间，就需要做减法的 Model。这也是很多 SOC，包括 Digital 芯片的做法，一层层的做各种减法。
VerilogA
首先想的就是能不能先和工艺 PDK 脱离了关系，反正我就是用的电阻电容，它就是一堆电流电压方程，我自己来写就行了，不要仿真器费力了；抑或是一些电流源，放大器 AMP，我自己知道他们是啥数学表达式，我来表达一下就行了；就不需要好多个 Transistors 在那里搭啊搭的了，几句电流电压关系式就搞定了。所以 VerilogA 比 Schematic 还是要快的。
“Analog”这个处理连续时间的行为(continuous-time behavior)的 Key Word 跃然纸上，这也是 Verilog 和 VerilogA 重大的不同了。VerilogA Model 和 VerilogAMS 相比，其好处也在于是纯 Analog 仿真器，这样子由于引入 digital 等、接口处理不好等导致的收敛性等较少，也算干净。但是其缺点在于还是慢。另外就是懂 VerilogA 的工程师远远少于懂 Verilog 的工程师；即使不少模拟出身的人，精通 VerilogA 语言的也不多。看惯了 Verilog 的人，如果是去看纯 VerilogA 写的东西，当 Control 等信号太多的时候，有时候会觉得 VerilogA 太啰嗦。
VerilogAMS
尽管 VerilogA 已经走上了语言的道路，但是利用的还是纯 Spice 的模拟仿真器，还是前面介绍的纯模拟仿真器的天然劣势，一步三回头的矩阵求解作风，是很多控制信号、高频 Switching 信号所不 Care 的；但是这些控制信号又给 Analog 仿真器增加了好多负担，Analog 最讨厌高频乱动的信号了，尤其是方波，连续性还差，出力不讨好。既然 Analog 看不惯高频乱动信号、控制信号，而控制信号、高频信号又不喜欢 Analog，那就分家吧。所以 AMS 横空出世，谁不喜欢 Analog 仿真器，就都到我们 Digital 家里去吧。于是乎，很多高速 Switching 信号、控制信号、trim 信号等，屁颠屁颠的就被 Model 带走了。想写 Model 的人，终于知道带谁玩了：首当其冲的就是这些很占用 Analog 仿真器精力又出力不讨好的东西们。于是乎，一些 cross，above 等 Key Word，联合着 Analog 里面的 transition，timer 等 KeyWord，把这 A-2-D,D-2-A 的事情做了。我这里说的简单，其实里面细节非常多。我们公众号会在以后挑选一些重要技巧来详细讲解。
为了能够把 Analog 和 digital 仿真器联系在一起，仿真器在背后也是默默做了大量工作的，这就是 Mix-signal 的仿真器了；其中重要一项就是 Connect Module。总之，引入两个仿真器，好处是大大的，同时却也提高了做 Model 人的经验要求。Model 想建立好，还是非常需要经验的。手生的人，即使建立的 Model，可能已经把精度 accuracy 消减了很多、只是功能描述，但是如果它和仿真器契合度太低，那么它可能就并不会真正的提高多少速度，即使它精度已经下降了很多。甚至有的时候，A 到 D， D 到 A，写的不好的话，相互缠绕，还会给仿真器带来不收敛问题。所以想学习做一个好的 Model 很有必要，一个不好的 Model 甚至不如不做，一些项目在紧张的时候，可能不做 Model；也是有其道理的。做 Model 的能力，也是需要培养的。一旦培养好了，力大无穷。
总之呢，这些付出是值得的。因为 VerilogAMS 写好的话，速度嗖嗖提高个上百倍那都不是梦，那都不是事儿（背景音乐：天空飘来五个字，那都不是事儿。。。）
Real Valued Model(RVM)
激进的人要求的更多，能不能再快点，再快点？把那些残留的 Analog 信号也干掉，但是同时也不要光秃秃的给我只留下“0,1,x,z”的 digital 信号。一个非常重要的东西，RealValued Model 就是解决这些人的梦想的。老前辈们制造出来了”wreal”的物种，来专门解决这个问题（严格意义 / 更全面的说，VHDL 和 SystemVerilog 中的 real，也是解决这个问题的）。Wreal 是一个很好的东西，很有创意，很值得探讨。下篇就详细讲讲 Wreal 的故事。
Real value Model 是一个非常重要的突破，因为它终于成功抛弃了 Spice，它将 Analog 信号用离散的 real 数值来代替了。于是乎不像 VerilogAMS 里面有太多的交互，它直接在 Digital 的领域里面自由奔跑了，下一个数值仅仅依靠当前的就行了，对光滑性、连续性要求大大降低，那速度能不快么？想不快都不行。
Verilog
这玩意就不用详细说了，很多人都懂。所以很多 Cadence 等业界 Model 培训教材，都拿它开涮，作为学习初始章节。我本着不让大家“一上来就没有睡着”的认真负责态度，果断把它放到这大后面了。
Reference Model
其实尤其对于模拟 ICer，了解到硬件描述语言 Verilog 已经算挺够的了，因为越往上面就更和 Transistor 啥的相关性小了（所以上面图片也就到 Verilog 结束了）。但是其实做数字的、尤其大规模数字的，对 Verilog 形成的 Model，也依然存在不满意度。还慢，还不够友好到让软件工程师一下子就看懂。如何打通软件和硬件之间的联系？
苹果曾经被记者点名称赞过自己是一个“能够将软硬件完美结合的公司”，苹果本身很重视 IC 研发；“安卓的 OEM 厂商们可以‘复制’出指纹传感器或者是 3D Touch 机制，但他们无法复制苹果对底层芯片的把控能力。”让一个软件工程师去懂硬件描述语言，显然太痛苦了。但是如果每次都是硬件生产完了，再看软件，显然在这个快速的时代有些笨拙。
显然用更高级的语言来对 Verilog 进行再抽象就很有必要。很多验证工程师，尤其熟悉 UVM(Universal Verification Methodology)的，搞出来的 Reference Model，或者系统工程师的 virtual prototype 或者算法(algorithm)模型 Model 就是进一步的做减法而得到的 Model。System Verilog，System C，总是有各种给力的语言来支持你的需求的。这个 Model 硬件工程师轻松看懂，软件工程师也能看懂，很好的又实现了一次跨界连接。软件工程师也就不用再等硬件了、两者都可以很 happy 的同时开工了，在研发早期、Silicon 出来之前，就能一起看看是不是能达成大 boss 布置的宏伟愿景了：例如手机更省电、手机更快，快的让你飞起来（没有给 VIVO 做广告啊。。。）
以上就是 Model 做减法的东西，VerilogA, VerilogAMS,RVM, Verilog,Reference Model，一步步脱离 Analog，一步步走进 Digital，甚至脱离硬件飞向软件。这就是 Model 做减法的魔力，火箭做起来，速度飞起来；当然也是以精度一步步掉血为牺牲代价的。
总之，想到 Model 就两件事情，做加法，做减法。想让 Model 准，就做加法，模拟各种真实的环境和存在；甚至 OverModel，模拟得比实际环境更恶劣点。想让 Model 快，就不停的做减法，向数字靠拢，像更抽象靠拢。总结下刚才介绍的各个 Model 级别，如下表所示：
与非网原创内容，不经允许，不得转载！
系列汇总：
