5G und Automotive: Komplexe Analog-Schaltungen 10x schneller simulieren

Der neue Spectre-X-Simulator für komplexe Analog-, Mixed-Signal- und HF-Schaltungen soll 5x größere Designs lösen und 10x so schnell sein wie sein Vorgänger, verspricht Cadence. Das System ist auf massiv parallele Berechnungen ausgelegt – und dadurch z.B. in Cloud-Rechenzentren skalierbar.

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Cadence hat Spectre X vorgestellt – den Nachfolger seines Analogschaltungs-Simulator Spectre APS. Spectre X ist laut Hersteller konsequent auf Geschwindigkeit getrimmt: Für das Simulieren einer komplexen Schaltung benötige die X-Version im Vergleich mit ihrem Vorgänger lediglich ein Zehntel der Zeit – und erreiche doch dieselbe Genauigkeit, erklärt Steven Lewis, Product Marketing Director für Analog Design Environments in der Custom IC and PCB Group (CPG) von Cadence im Gespräch mit ELEKTRONIKPRAXIS. Möglich mache dies eine massiv verteilte Simulation: So könnten Anwender Zeit- und Frequenzbereichs-Simulationen auf Hunderte von CPUs verteilen und die Skalierbarkeit moderner Rechenzentrums- oder Cloud-Infrastrukturen nutzen.

Heutige Schaltungen sind immer schwieriger zu simulieren. Und in Zukunft werden die Anforderungen weiter steigen. Dafür gibt es mehrere Gründe. Einerseits etwa die fortschreitende Miniaturisierung der Prozessknoten – bei FinFET-Transistoren beispielsweise steigt dadurch der Einfluss der unvermeidlichen parasitären Effekte über Gebühr. Gleichzeitig nimmt die Komplexität der Schaltungen beispielsweise durch Integration von immer mehr Funktionen zu. Eine Simulation erfordert daher komplexere numerische Modelle – und die benötigen mehr Rechenleistung. „Spectre X adressiert beide Seiten: die zunehmende Komplexität der Prozessknoten als auch die der Schaltungen“, sagt Lewis.

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Spectre X verteilt Berechnungen auf bis zu 128 Rechenkerne

Mögliche mache das die massive Parallelisierung der Lösung: „Wir haben uns gefragt, ob es überhaupt möglich ist, den Simulator so aufzubauen, dass er weit über hundert Cores effizient parallel nutzen kann – sogar über mehrere Maschinen hinweg“, sagt Lewis. Spectre X sei die beeindruckende Antwort.

Laut Lewis nutzt die Software bei Bedarf massiv parallele Rechnerarchitekturen und führt Berechnungen auf bis zu 128 Prozessorkernen aus. Wie gut diese Parallelisierung funktioniert, soll ein Diagramm belegen: Demnach benötigt eine Beispielsimulation auf einem Core fast zwei Tage, auf 16 Cores 3:45 Stunden und auf 64 Cores lediglich noch knapp 2 Stunden. Der Einsatz weiterer 64 Rechenkerne reduziert die Zeit noch einmal um über 20 Minuten.

Spectre X nutzt Fortschritt in der Mathematik

Im direkten Vergleich mit seinem Vorgänger Spectre APS sei das neue System rund zehnmal schneller. „Bei gleicher Genauigkeit“, betont der Cadence-Manager. Großen Anteil daran hätten –neben der leistungsfähigeren Hardware – verbesserte numerische Rechenmodelle, die „größere Schaltungsformeln intelligenter lösen“ könnten.

Damit nicht genug: Spectre X sei zudem in der Lage, fünfmal größere beziehungsweise komplexere Designs zu lösen. „Anwender können Schaltungen mit Millionen von Transistoren und Milliarden von parasitären Effekten in einem Verifizierungsdurchgang nach dem Layout effektiv simulieren“, erklärt Elhak. Neue, optimierte Modellierungsmethoden für Schaltungsblöcke und Verbindungen in Kombination mit allgemeinen Verbesserungen des Datenmodells würden eine effiziente Handhabung der größten Pre- und Post-Layout-Designs ermöglichen.

Anwender bestimmen Balance zwischen Tempo und Genauigkeit

Ein direkter Vergleich sei übrigens deshalb möglich, „weil Spectre X hundertprozentig rückwärtskompatibel ist“. Bisherige verwendete, zertifizierte Modelle und Syntax ließen sich ohne Modifikation direkt weiter nutzen. Darüber hinaus unterstützt der Spectre X-Simulator bestehende Spectre-Design-Flows wie die Cadence Virtuoso ADE Product Suite, Virtuoso RF Solution, Legato Reliability Solution und Liberate Characterization Suite. „Der Spectre X-Simulator ist eng mit unserem Xcelium Parallel Logic Simulator für die Mixed-Signal-Verifikation mit dem Spectre AMS Designer integriert und bietet volle Unterstützung für Mixed-Signal-Verhaltenssprachen und Methoden zur Modellierung von realen Zahlen.

Sollte höchste Genauigkeit nicht erforderlich sein, können Anwender die frei werdenden Ressourcen für schnellere Berechnungen nutzen. „Sie haben die Möglichkeit, die Balance zwischen Genauigkeit und Geschwindigkeit selbst festzulegen“, sagt Lewis. Mithilfe einer intuitiven Steuerung sei es möglich, die richtige Genauigkeits-/Leistungskombination zu ermitteln, die für ein Design erforderlich ist. Die CPU-Beschleunigung, HF- und Power-Simulationen und weitere Funktionen lassen sich laut Lewis optional bei Laufzeit des Programms flexibel hinzubuchen – „ganz nach Bedarf“.

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