什麼是「類比設計 」？

由於積體電路（IC）中的所有基本元件都會對連續時間刺激作出反應，因此「類比設計 」構成了所有 IC 設計的基礎。現代 IC 技術帶來了許多設計上的挑戰。 在先進製程節點中，製造製程存在顯著的變異性。先進積體電路中大量元件的實際運作，同樣會導致變異性。這種變異性表現為工作電壓、工作溫度以及性能的變化。密集排列的元件也可能彼此相互作用，並與矽晶片基板 、封裝及電路板產生交互作用，從而導致訊號失真。所有這些效應不僅可能發生在元件之間，也可能發生在單一積體電路內部。

類比設計 必須彌補所有這些影響，以確保三項基本特性：保真度／精確度、一致性及效能。可靠性分析與訊號完整性 分析，即是用於建模並減輕這些影響的若干措施。以下列舉幾項例子，說明這三項特性在積體電路（IC）應用中的重要性：

• 保真度／精確度：許多類比設計構成了感測積體電路（IC）外部條件之電路的基础。感測環境溫度、氣壓、運動及光線，是許多物聯網（IoT）裝置的基本組成部分。例如，光線感測便是機器視覺的基礎。 要準確感測這些連續時間效應，必須進行精密的測量，這意味著負責執行這些測量的類比電路必須具備卓越的保真度與精密度。類比設計 確保了保真度與精密度。
• 一致性：數位電路設計透過建模離散的「1」與「0」的傳播過程，以簡化大量元件的分析。通常，「1」代表主要供電電壓，「0」則表示無電壓。為了使此模型能有效運作，電路元件的性能必須在所有前述的變異條件下保持一致。 一致性可確保電壓處於「1」或「0」其中一個參考電平。類比設計 可確保這些條件得以滿足。
• 效能：此參數主要分為兩種形式：速度與功耗。所有積體電路（IC）在速度方面皆有嚴格要求，以滿足整體系統的吞吐量需求。此外，其功耗也必須維持在特定範圍內。此項要求源於系統必須維持在可接受的熱設計邊界內，以確保有效的散熱。降低功耗的需求亦源於財務運作上的限制。類比設計 可確保功耗與速度均維持在可接受的範圍內。

類比設計 與數位設計之間的主要差異，在於所採用的基礎分析類型。

在類比設計 中，電路刺激被視為隨時間連續變化的訊號。電路的行為會分別在時域與頻域中建模，並著重於所得波形的保真度／精確度、一致性及性能。此外，無論是製造過程或設計所導致的電路變異性，都必須進行建模並加以補償。

數位設計將電路刺激視為隨時間變化的、一系列離散的邏輯「一」與邏輯「零」。邏輯「一」通常由積體電路（IC）的供電電壓存在來表示，而邏輯「零」則由該電壓不存在（即零伏特）來表示。 數位電路中的元件必須在大部分時間內處於邏輯「一」或邏輯「零」的狀態。只要處理這些訊號的電路對這些邏輯電平的響應保持一致，數位設計便能順利運作。類比設計 負責確保這些特性得以實現。

這使得我們能夠利用組合式與時序式模型來分析電路的行為，且僅需考慮兩種電壓（「一」與「零」），從而大幅簡化了設計與驗證流程。

類比積體電路（IC）的設計通常涉及自上而下的設計與實作流程，隨後進行自下而上的驗證流程。這種整體方法有許多變體。以下是基本步驟：

• 針對該設計制定高階規格書。它將執行哪些功能？該設計在效能、功耗及面積（即成本）方面的目標為何？
• 利用濾波器、比較器和放大器等宏函式，制定頂層設計以達成所需結果
• 利用電晶體、電阻和電容器等元件，建立裝置層級的電路描述，以支援頂層設計。此步驟通常會參考預先定義的函式庫，並需根據每個獨特設計的具體需求進行客製化。
• 透過模擬驗證設計是否符合所有規格要求。此處使用的軟體通常會採用針對目標製程進行過調校的線性與非線性元件來建模。在此步驟中，將對製造製程與運作變異性進行建模，以確保裝置設計在面對這些不確定性時仍能保持穩健性。
• 透過組裝所有元件的預定義佈局，來實現設計的實體佈局。在此步驟中，會優化佈局密度以將成本降至最低。為確保設計在可製造性及訊號完整性 方面達到最佳化，必須遵循多項佈置規則。在此步驟中會驗證是否遵循了這些規則，此過程稱為實體驗證。
• 接著從佈局中萃取等效電路。此時，設計描述中已包含串擾和走線電阻等寄生效應，並會重新對設計進行模擬，以確保在加入這些新效應後，設計仍能如預期般運作。此外，還會將萃取出的設計與原始設計進行比對，以確認是否使用了正確的元件且連接無誤。此過程稱為邏輯與原理圖比對（Logic versus Schematic），或簡稱 LVS 檢查。
• 在此階段，也會加入測試電路所需的任何結構。完成後，該設計即可進入量產階段，或整合至更大的數位設計中。將類比設計整合至更大的數位設計中，稱為 AMS（類比／混合訊號設計）。

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平台工具包括：

• Custom Compiler：提供設計輸入、模擬管理與分析，以及客製化佈局編輯功能
• PrimeSim SPICE：一款多核心／多機器模擬器，非常適合用於模擬大型且複雜的類比與射頻電路
• IC Validator：一套全面且高效能的最終驗證物理驗證解決方案，可提升客戶在所有製程節點上的生產力
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• SiliconSmart：一套全面的「函式庫特性化 」與品質保證（QA）功能，用以生成數位簽核工具所需的模型，例如PrimeTime
• PrimeSim 可靠性分析：HSPICE 、FineSim 及 CustomSim 提供一套全面的可靠性與蒙特卡洛分析功能，以確保電路在面對變異性時仍能正確運作

Custom Compiler 有助於促進設計／版面配置的協作，使傳達設計意圖並達成「類比設計 」的確認變得更加容易，如下所示。