「アナログ設計 」とは何ですか？

IC内のすべての基本デバイスは連続時間刺激に反応するため、アナログ設計 はすべてのIC設計の基礎を成しています。現代のIC技術には、多くの設計上の課題が存在します。 先端技術ノードにおける製造プロセスには、大きなばらつきが存在する。また、先端IC上に多数配置されたデバイスの実際の動作も、ばらつきを引き起こす。このばらつきは、動作電圧、動作温度、および性能の変化として現れる。高密度に配置されたデバイスは、互いに、あるいはシリコンサブスレート 、パッケージ、基板と相互作用し、信号の歪みを引き起こすこともある。これらの影響はすべて、デバイス間だけでなく、単一のIC内部でも発生し得る。

アナログ設計 忠実度／精度、一貫性、および性能という3つの基本的な特性を確保するためには、これらすべての影響を補正しなければならない。信頼性解析やシグナル・インテグリティ 解析は、これらの影響をモデル化し、軽減するために用いられる手法の一部である。ICアプリケーションにおけるこれら3つの項目の重要性を示す例は、以下の通りである：

• 忠実度／精度：多くのアナログ設計は、ICの外部環境を検知する回路の基盤となっています。周囲温度、気圧、動き、光の検知は、多くのIoT（モノのインターネット）デバイスにおいて基本的な機能です。例えば、光の検知はマシンビジョンの基礎となっています。 これらの連続的な時間的変化を正確に検知するには、精密な測定が必要であり、その結果、これらの測定を行うアナログ回路には優れた忠実度と精度が求められます。アナログ設計 は、この忠実度・精度を保証します。
• 一貫性：デジタル回路の設計では、多数のデバイスの解析を簡略化するために、離散的な「1」と「0」の伝播をモデル化します。通常、「1」は主電源電圧を表し、「0」は電圧が全く存在しない状態を表します。このモデルを効果的に機能させるためには、前述のあらゆる変動条件下において、回路素子の性能が一貫している必要があります。 一貫性により、電圧が「1」または「0」という基準レベルのいずれかにあることが保証されます。アナログ設計 は、これらの条件が満たされることを保証します。
• 性能：このパラメータには、「速度」と「消費電力」という2つの基本的な形態があります。すべてのICには、システム全体のスループットを満たすために、速度に関して厳しい要件が課されています。また、特定の範囲内の消費電力に収まる必要があります。これは、効果的な放熱を確保するために、システムが許容可能な熱的制約の範囲内に収まる必要があることから生じています。低消費電力の必要性は、運用上のコスト面での制約によっても求められています。アナログ設計 は、消費電力と速度が許容範囲内に収まることを保証します。

アナログ設計 とデジタル設計の主な違いは、その基礎となる解析手法の種類にあります。

アナログ設計 では、回路への入力信号は、時間とともに連続的に変化する信号として扱われます。回路の挙動は時間領域および周波数領域でモデル化され、その結果得られる波形の忠実度・精度、一貫性、および性能に重点が置かれます。また、製造や設計に起因する回路のばらつきについても、モデル化および補正を行う必要があります。

デジタル設計では、回路への入力を、時間経過に伴う一連の離散的な論理「1」および論理「0」として扱います。論理「1」は通常、ICへの電源電圧の印加によって表され、論理「0」はこの電圧の印加がない状態（すなわち、0ボルト）によって表されます。 デジタル回路内のデバイスは、その時間の大部分を論理「1」または論理「0」のいずれかの状態で過ごさなければなりません。これらの信号を処理する回路が、これらの論理レベルに対して一貫した応答を示す限り、デジタル設計は正常に機能します。アナログ設計 は、こうした特性を確保する役割を担っています。

これにより、2つの電圧（「1」と「0」）のみを考慮して、組み合わせモデルおよび順序モデルを用いて回路の動作を解析することが可能となり、設計および検証プロセスが大幅に簡素化される。

アナログICの設計では、通常、トップダウン方式による設計および実装プロセスの後に、ボトムアップ方式による検証プロセスが行われます。この全体的なアプローチにはさまざまなバリエーションがあります。基本的な手順は以下の通りです。

• 設計の大まかな仕様を策定してください。どのような機能を実現するのでしょうか？　また、この設計における性能、消費電力、および面積（すなわちコスト）の目標値はどのようなものですか？
• フィルタ、コンパレータ、増幅器などのマクロ関数を用いて、所望の結果を得るためのトップレベル設計を策定する
• トランジスタ、抵抗、コンデンサなどの素子を用いて、トップレベル設計をサポートするデバイスレベルの回路記述を作成します。このステップでは、多くの場合、あらかじめ定義された関数のライブラリが利用されますが、各設計固有の要件に合わせてカスタマイズする必要があります。
• シミュレーションを用いて、設計がすべての仕様を満たしていることを確認します。ここで使用されるソフトウェアは、通常、対象の製造プロセスに合わせて調整された線形および非線形素子を用いて回路をモデル化します。このステップでは、製造プロセスや動作上のばらつきをモデル化し、こうした不確実性がある状況下でもデバイス設計が堅牢であることを保証します。
• すべてのコンポーネントの事前定義済みレイアウトを組み立てることで、設計の物理レイアウトを実装します。このステップでは、コストを最小限に抑えるためにレイアウトの密度が最適化されます。製造性とシグナル・インテグリティ の観点から設計が最適化されるよう、遵守すべき配置ルールが数多く存在します。これらのルールが遵守されているかどうかの検証は、このステップで行われ、これを物理検証と呼びます。
• その後、レイアウトから等価回路が抽出されます。これにより、クロストークや配線抵抗などの寄生効果が設計記述に含まれるようになり、これらの新しい効果が加わった状態でも設計が意図したとおりに動作することを確認するために、再シミュレーションが行われます。また、抽出された設計を元の設計と比較し、正しいデバイスが使用され、正しく接続されていることを確認します。このプロセスは、「ロジック対回路図（Logic versus Schematic）」、あるいはLVSチェックと呼ばれます。
• また、この段階で、回路のテストに必要な構造も追加されます。これが完了すると、その設計は製造段階に進むか、より大規模なデジタル設計に統合される準備が整います。アナログ設計をより大規模なデジタル設計に統合することを、AMS（アナログ／ミックスドシグナル設計）と呼びます。

シノプシス カスタム設計プラットフォームは、堅牢なカスタムアナログ回路の設計開発を加速する、設計および検証ツールの統合スイートです。Custom Compiler™カスタム設計環境を基盤とするこのプラットフォームは、業界をリードする回路シミュレーション の性能、高速かつ使いやすいレイアウトエディタ、そして寄生抽出 、信頼性解析、物理検証におけるクラス最高の技術を備えています。

プラットフォームツールには、以下のものが含まれます：

• Custom Compiler: 設計データの入力、シミュレーションの管理と解析、およびカスタムレイアウト編集機能を提供
• PrimeSim SPICE：大規模かつ複雑なアナログ回路やRF回路のシミュレーションに最適な、マルチコア・マルチマシン対応のシミュレータ
• IC Validator: あらゆるプロセスノードにおいて、お客様の生産性を向上させる、包括的で高性能なサインオフ物理検証ソリューション
• PrimeSim HSPICE:正確なオンチップシミュレーション、およびシリコンからパッケージ、基板、バックプレーンに至るまでのシグナル・インテグリティ シミュレーションと解析におけるゴールドスタンダード
• StarRC: ～のゴールドスタンダード寄生抽出
• PrimeSim XA：FastSPICEシミュレータを搭載しており、あらゆる種類の設計に対して優れた検証性能と処理能力を発揮します
• PrimeWave Design Environment：アナログおよびミックスドシグナルIC向けのグラフィカルな波形表示ツールおよびシミュレーション後処理ツール
• SiliconSmart:ライブラリ・キャラクタライゼーション およびQAの包括的な機能群により、以下のようなデジタルサインオフツールに必要なモデルを生成します。PrimeTime
• PrimeSim 信頼性解析：HSPICE 、FineSim、およびCustomSimは、変動が生じた場合でも回路が正しく動作することを保証するための、包括的な信頼性解析およびモンテカルロ解析機能をサポートしています。

Custom Compiler 以下に示すように、デザイン意図の伝達やアナログ設計 の合意形成を容易にする、デザイン／レイアウトの共同作業を促進します。