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정의
회로 시뮬레이션은 다양한 소프트웨어 알고리즘을 사용하여 전자 회로의 모델을 생성하고 분석함으로써 회로의 동작과 성능을 예측하고 검증하는 프로세스입니다. 특히 집적 회로(IC)와 같은 전자 회로는 제작에 비용과 시간이 많이 소요되므로, 제작 전에 회로 시뮬레이터를 사용하여 동작과 성능을 검증하는 것이 더 빠르고 비용 효율적입니다.
정확도-성능/용량 스펙트럼 전반에 걸쳐 다양한 요구를 충족하는 여러 유형의 회로 시뮬레이터가 있습니다. 스펙트럼의 한쪽 끝에는 전자 회로를 정밀하게 표현하여 이를 해결하는 아날로그 시뮬레이터가 있습니다. 이 시뮬레이터는 높은 정확도를 제공하며 소규모 회로 시뮬레이션에 주로 사용됩니다. 스펙트럼의 다른쪽 끝에는 주로 하드웨어 기술 언어(HDL)로 기술된 전자 회로의 기능적 표현을 사용하는 디지털 시뮬레이터가 있습니다. 이 시뮬레이터는 최고 수준의 성능과 용량을 제공하지만 상대적으로 정확도는 낮습니다. 디지털 시뮬레이터는 대규모 회로 시뮬레이션에 주로 사용됩니다.
회로 시뮬레이션의 유형
회로 시뮬레이션은 아날로그, 디지털, 혼성 모드(mixed-mode)의 세 가지 기본 유형으로 나뉩니다.
아날로그 회로 시뮬레이션은 높은 정확도를 달성하기 위해 전자 회로의 고정밀 모델(즉, 표현 방식)을 사용하는 것을 포함합니다. 여기에는 회로 내 다양한 전자 소자에 대한 비선형, 선형 및 더 단순한 테이블 기반 표현이 포함됩니다. 아날로그 시뮬레이션은 다양한 모드로 실행될 수 있으며, AC(주파수 영역), DC(비선형 정지 상태), 과도(시간 영역) 모드가 이에 해당합니다. 모든 아날로그 시뮬레이터는 이러한 다양한 모드에서 전자 회로의 동작을 수학적으로 분석하기 위한 알고리즘을 채택하고 있으며, 전자 회로의 성능을 예측하기 위해 매트릭스를 해독하는 공통적인 특징을 지닙니다. 신호는 연속적으로 변화하는 값으로 전파됩니다.
아날로그 회로 시뮬레이터에는 SPICE와 FastSPICE의 두 가지 주요 유형이 있습니다. SPICE 시뮬레이터는 전자 소자의 고정밀 비선형 및 선형 모델을 사용하여 회로 동작을 분석합니다. 또한 관심 있는 시뮬레이션 기간 내의 모든 단일 시점에서 전체 회로(즉, 수학적 표현)의 응답을 계산하기 위해 전진 오일러(Forward Euler), 후진 오일러(Backward Euler), 뉴턴-라프슨(Newton-Raphson)과 같은 다양한 적분법과 매트릭스 분해 기법을 채택합니다.
대조적으로, FastSPICE 시뮬레이터는 전자 소자의 더 단순한 테이블 모델 표현을 사용하여 회로 동작을 분석합니다. 정교한 알고리즘을 채택하여 회로의 복잡성을 줄이고 다양한 기준에 따라 회로를 분할함으로써 본질적으로 더 단순하고 모듈화된 회로 표현을 생성합니다. 그런 다음 관심 있는 시뮬레이션 기간 내의 특정 시점에서 이 표현을 선택적으로 평가하며, 이 프로세스는 시뮬레이션의 성능과 용량을 크게 향상시킵니다. FastSPICE 시뮬레이터는 시뮬레이션 정확도와 성능 간의 절충안을 조절하는 데 도움이 되는 다양한 시뮬레이션 노브(knob)를 제공합니다.
디지털 회로 시뮬레이션은 더 단순한 전자 회로 모델을 사용하는 것을 포함합니다. 이러한 모델은 일반적으로 HDL을 사용하여 생성됩니다. 디지털 시뮬레이션에서는 연속적으로 변화하는 신호를 전파하는 대신 몇 가지 이산적인 전압 레벨(주로 논리 0과 논리 1)이 전파됩니다. 이러한 신호를 전파하는 방법들은 회로를 통한 논리 레벨의 전파 지연과 관련하여 다양한 수준의 정확도를 가집니다. 이 시뮬레이션 방법을 사용하면 아날로그 시뮬레이션에 비해 더 적은 컴퓨팅 자원으로 더 짧은 시간에 훨씬 더 큰 회로를 시뮬레이션할 수 있습니다.
혼성 모드 회로 시뮬레이션은 아날로그 및 디지털 시뮬레이션 방식을 결합합니다. 회로의 각 부분에 대해 올바른 수준의 분석 세부 정보를 지원할 수 있도록 두 영역 사이에 회로가 분할됩니다. 아날로그 분석에는 아날로그 시뮬레이터(SPICE 및 FastSPICE)가 사용되며, 디지털 분석에는 디지털 시뮬레이터가 사용됩니다. 이 시뮬레이션 방식을 사용하면 아날로그 시뮬레이션에 비해 더 적은 컴퓨팅 자원으로 더 짧은 시간에 훨씬 더 큰 회로를 시뮬레이션할 수 있습니다.
| 시뮬레이션 유형 | 주요 특징 | 주요 사용 사례 | 정확도 | 성능 / 용량 |
| 아날로그(SPICE) | 상세한 비선형 모델 | 소규모 아날로그/RF 회로, 신호 무결성 | 매우 높음 | 낮음 |
| FastSPICE | 간소화된 모델, 모듈식 분석 | SRAM, 커스텀 디지털, DRAM | 보통 | 보통~높음 |
| 디지털 | HDL, 로직 레벨(0/1) | SoC, 프로세서, 로직 검증 | 낮음 | 매우 높음 |
| 혼성 모드 | 아날로그 + 디지털 결합 | AMS 설계, 혼성 신호 SoC | 균형적 | 균형적 |
회로 시뮬레이션의 이점
회로 시뮬레이션은 전자 회로의 거동에 대한 중요한 통찰력을 제공합니다. 특히 집적회로(IC)를 비롯한 전자 회로 제작에는 막대한 비용과 시간이 소요되므로, 제조 전에 회로 시뮬레이션을 통해 회로의 동작과 성능을 검증하는 것이 훨씬 실용적입니다.
주요 검증 영역은 다음과 같습니다.
- 메모리 성능. 메모리 디바이스의 읽기/쓰기 접근 시간 및 레이턴시는 메모리 내부의 비트 셀과 읽기/쓰기 경로에 대한 아날로그 회로 시뮬레이션을 통해 구축됩니다.
- 전체 디지털 시뮬레이션 정확도. 디지털 회로 시뮬레이터는 로직 레벨 1과 로직 레벨 0에 대한 전압 전파를 모델링합니다. 아날로그 회로 시뮬레이션은 회로가 이러한 전압 레벨 간에 전환되는 데 걸리는 시간을 결정하는 데 사용되며, 이는 디지털 회로 시뮬레이터의 전체적인 정확도의 기반이 됩니다.
- 노이즈 및 크로스토크. 노이즈 및 크로스토크에 대한 상위 수준 모델은 아날로그 회로 시뮬레이션을 통한 이러한 기생 효과의 세부적인 회로 수준 분석을 바탕으로 개발됩니다.
- 고주파 및 고전력 회로 최적화. 이러한 유형의 회로는 거동 및 성능 기준을 확인하기 위해 상세한 연속 시간 분석을 거쳐야 합니다. 아날로그 회로 시뮬레이션은 이러한 중요한 분석을 제공합니다.
코어 프로세서 및 AI 가속기와 같은 복잡한 디지털 회로의 전체적인 성능과 거동은 디지털 회로 시뮬레이션을 통해 검증됩니다.
회로 시뮬레이션과 Synopsys
Synopsys는 다양한 사용 사례와 회로 유형을 지원하는 다양한 아날로그 및 디지털 회로 시뮬레이션 솔루션을 제공합니다.
아날로그 시뮬레이션 툴에는 다음이 포함됩니다.
- PrimeSim Continuum: Synopsys SPICE 및 FastSPICE 시뮬레이터의 통합 워크플로
- PrimeSim HSPICE: SPICE 시뮬레이션의 골드 스탠더드
- PrimeSim XA: SRAM 및 커스텀 디지털 설계를 타겟팅하는 업계 선도적인 FastSPICE 시뮬레이터
- PrimeSim SPICE: 아날로그, RF 및 SerDes 설계를 타겟팅하는 업계 최고 성능의 SPICE 시뮬레이터
- PrimeSim Pro: DRAM 및 Flash 설계를 타겟팅하는 업계 선도적인 FastSPICE 시뮬레이터
- PrimeSim Custom Fault: 전체 칩 기능 안전성, 테스트 커버리지 분석 및 실리콘 결함 분석을 타겟팅하는 고성능 아날로그 결함 시뮬레이터
- PrimeWave Design Environment: 종합적인 분석, 향상된 생산성 및 사용 편의성을 제공하는 새로 아키텍처된 설계 환경
디지털 시뮬레이션 도구는 다음과 같습니다:
- VCS®: 업계 최고 성능의 디지털 시뮬레이터
- Testbench Quality Assurance: 기능 자격 검증 시스템
- VC Replay™: RTL 시뮬레이션 데이터를 활용한 조기 전력 분석
- Z01X Functional Safety Assurance: IEC 61508 및 ISO 26262 규정 준수를 위한 고속 결함 시뮬레이션 솔루션
- SaberRD 및 SaberESD: 다중 도메인 시뮬레이션, 프로토타이핑 및 하네스 설계
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자율 엔지니어링, Physical AI, 그리고 변화의 속도에 대한 Synopsys CEO 사신 가지(Sassine Ghazi)의 인사이트
