隨著人工智能（AI）、汽車電子和物聯網（IoT）等應用的迅猛發展，把模擬、數字、射頻等功能集成于單一芯片的數模混合信號芯片已成為主流趨勢。此類芯片廣泛滲透至生活與產業場景中，然而其首次流片成功率通常較純模擬IC/數字IC低10%-30%。這是由于數字電路與模擬電路本身在設計方法學、驗證難度和工藝要求等方面存在顯著差異。數字電路通常基于標準單元庫設計，重點高集成度和功耗優化；而模擬電路則依賴PDK，需全面考量器件的物理特性、噪聲、失配等因素。

在數模混合芯片中，常見的Bug類型包括：

接口與時序問題：例如數模接口時序失配、信號電平不兼容；復位信號出現毛刺或異步復位恢復時序錯誤，致使寄存器進入亞穩態或控制邏輯異常；芯片上電時序、休眠喚醒流程設計不當，造成模塊狀態異常。

電源完整性問題：如同步開關噪聲、地彈現象，以及電源噪聲耦合至敏感模擬電路，當I/O或核心邏輯同時開關時，噪聲通過電源/地網絡傳播，影響供電質量。

跨域交互問題：如數字輔助校準算法或控制邏輯存在缺陷，導致ADC/DAC微分非線性(DNL)與積分非線性(INL)超出規格等。

設計與制造失配問題：如前后仿結果與流片硅后測試結果不一致，寄生參數提取不完整或影響評估不足等。

為確保數字設計與模擬設計在同一芯片協同工作，必須進行復雜的電路設計和嚴格的數模混合仿真硅前驗證。在芯片持續朝著更高集成度、更先進工藝節點邁進，且復雜度呈指數級增長的背景下，數模混合仿真驗證工程師面臨著三個關鍵維度的挑戰：

仿真速度與精度的兩難困境：數模混合芯片中的模擬部分需要晶體管級精度（如SPICE模型），而數字部分依賴高層次抽象（如Verilog/System Verilog）。不同抽象層次協同存在技術難點，仿真耗時極長。全芯片級仿真涉及海量計算，驗證周期長達數周。為追求速度而在SPICE精度上妥協，可能引發流片后的災難性后果。

數模接口跨域協同的復雜性：數模接口是功能失效的高頻發生區域。模擬信號為連續的電壓或電流值，而數字信號為離散的邏輯電平。不同仿真器間需要通過數模轉換和模數轉換接口來實現信號轉換。接口精度（分辨率和轉換速率）直接影響仿真結果的保真程度。若設置過于粗糙，將會引入誤差；若設置過于精細，則會進一步降低仿真速度。怎樣高效且精準地驗證數字邏輯與模擬電路之間的交互，是對仿真工具跨域協同能力的極限挑戰。

時間同步與容量極限的挑戰：數字仿真器采用“事件驅動”模式，模擬仿真器采用“時間步進”模式。如何讓數字仿真器在合適的模擬時間點“暫停”以交換數據，是復雜的調度難題。同步不準確會引發時序錯誤，比如在關鍵時刻遺漏毛刺或出現建立/保持時間違規。超大規模集成電路中上億級晶體管的設計規模不斷突破傳統仿真工具的容量上限，全芯片級別的數模混合仿真變得極為困難。

為應對上述挑戰，華大九天推出了Empyrean ALPS CS（Accurate Large capacity Parallel SPICE Co-Simulation）數模混合信號仿真工具。該工具基于 SPICE 精度的數模協同仿真架構，通過數模同步協同和并行技術突破等核心能力，大幅度提升數模混仿效率，為業界提供了一套在速度、精度與容量維度均具備優勢的高效數模混合仿真驗證解決方案。ALPS CS全面支持涵蓋Verilog、SystemVerilog、VerilogA、VerilogAMS等主流硬件描述語言的前后仿真流程，并且能夠依托LSF集群開展分布式仿真，從而從容應對復雜芯片的仿真驗證挑戰。

核心技術一：高效的數模接口跨域協同與時間同步機制

鑒于當前數模混合芯片中通常存在模擬域和數字域的多個反饋環路，數字設計與模擬設計呈現多層次融合，且相互作用復雜；ALPS CS通過多項關鍵技術研發以確保混合信號仿真高效性與結果可靠性：

標準接口兼容：支持借助VPI接口與數字仿真器實現無縫對接，同時能夠解析Hspice、Spectre等多種模擬網表格式，可輕松融入現有的設計流程，降低工具替換的遷移成本以及工程師的使用難度。

精準數模同步技術：運用協同工作點收斂（Co-simulation Bias Point Convergence）與主從步長協同（Master-Slave Timestep Coordination）算法，精確掌控數字事件與模擬信號在交互界面的時序同步，杜絕因步長不匹配而導致的狀態錯誤，確保跨域仿真的準確性。

智能接口元件（IE）：具備內置自動化的數模/模數信號轉換功能，依據配置精確模擬信號的上升/下降時間以及電壓閾值，簡化跨域驗證設置流程，有效提升驗證效率。

核心技術二：基于智能矩陣求解與并行計算的高速仿真引擎

仿真速度是決定驗證效率的關鍵因素。ALPS CS傳承了ALPS仿真器家族在性能方面的技術積累，并將其充分運用到數模混合仿真，通過智能矩陣求解以及高效的并行計算，進一步提高了大規模數模混合芯片的驗證效率。

智能矩陣求解算法：與傳統仿真器固定單一的矩陣求解模式不同，ALPS CS內置了數十種差異化的求解策略，具備華大九天獨有的精度無損智能矩陣求解（Smart Matrix Solver）方案。在仿真過程中，該算法可實時動態分析電路的拓撲結構與電氣特性，自主匹配并切換至最優求解方案，從底層提升求解效率。

多核并行技術：與傳統方案無法并行的情況不同，ALPS CS采用業界領先的并行計算架構，能夠高效調度多核CPU的硬件算力，對大規模電路的仿真任務進行精細化拆解和分布式并行處理，充分發揮硬件算力資源潛能。

核心技術三：數模混仿中集成大容量/高速/高精度的模擬仿真器ALPS

現代大規模集成電路的設計規模呈爆發式增長，對仿真工具的容量支持能力提出了極高要求。ALPS CS依托優化的內存管理機制，在遵循SPICE精度標準的基礎上，能夠穩定支持超過1億個器件規模的超大規模電路仿真，滿足復雜芯片設計的驗證需求。

同時集成高速/高精度模擬仿真器ALPS，采用無損仿真技術，通過直接求解全電路方程，精確復現晶體管級的物理行為。其在信號傳輸特性、路徑時序參數，及數模接口響應等方面，均可實現與芯片實測高度一致的仿真結果，為“一次流片成功”提供了核心技術支撐。

客戶案例應用成效

ALPS CS已在多家客戶的應用場景中成功落地，彰顯出顯著的速度優勢。無論是器件數量僅25K的小規模DDR芯片，在進行前仿真時，現有方案需耗時2.1小時，而ALPS CS僅需0.6小時，加速比達到3.5倍；還是器件數量較多的大規模高速串行數據傳輸SERDES芯片，前仿真時現有方案需95.9小時，ALPS CS僅需20.0小時，加速比高達4.8倍，單次仿真可節省75.9小時。鎖相環PLL在前仿真中的加速比可達3倍，后仿真加速比更是高達6.3倍。在其他諸如接收器RX、電源管理PMU等不同類型、不同規模的芯片仿真中，ALPS CS同樣展現出顯著的加速效果。由此可見，ALPS CS能夠大幅縮短單次仿真的時間，進而縮短整體IC研發周期。

總結

ALPS CS的技術優勢與應用價值

Empyrean ALPS CS依托在仿真速度、精度和容量這三大核心維度的突破性技術革新，搭建起一套高效且可靠的數模混合信號驗證體系。它借助高效的數模接口跨域協同與時間同步機制，充分確保數字仿真器和模擬仿真器實現“順暢”通信。憑借獨有的精度無損智能矩陣求解以及高效多核并行技術，在保證速度的同時不降低精度；通過優化內存管理，支持超1億級數量的器件規模仿真。總體而言，ALPS CS的通過仿真速度提升，將單次混合仿真驗證時長從“周”縮短至“天”。ALPS CS為復雜數模混合芯片設計的高效驗證提供關鍵的EDA工具支持，尤其能夠助力面臨先進工藝挑戰的芯片設計團隊突破數模混合驗證的瓶頸，大幅縮短驗證周期，加速大規模數模混合芯片產品成功推向市場。

北京華大九天科技股份有限公司（簡稱“華大九天”）成立于2009年，一直聚焦于EDA工具的開發、銷售及相關服務業務，致力于成為全流程、全領域、全球領先的EDA提供商。

華大九天主要產品包括全定制設計平臺EDA工具系統、數字電路設計EDA工具、晶圓制造EDA工具、先進封裝設計EDA工具和3DIC設計EDA工具等軟件及相關技術服務。其中，全定制設計平臺EDA工具系統包括模擬電路設計全流程EDA工具系統、存儲電路設計全流程EDA工具系統、射頻電路設計全流程EDA工具系統和平板顯示電路設計全流程EDA工具系統；技術服務主要包括基礎IP、晶圓制造工程服務及其他相關服務。產品和服務主要應用于集成電路設計、制造及封裝領域。

華大九天總部位于北京，在南京、成都、深圳、上海、香港、廣州、北京亦莊、西安和天津等地設有全資子公司，在武漢、廈門、蘇州等地設有分支機構。