JP7249303B2 - 演算装置及び演算方法 - Google Patents

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Description

本発明の一実施形態は、シミュレーション用データ、演算方法及び演算装置に関する。
モータ等の電気部品を備えたシステムの設計を行う際、回路図やブロック図に基づくシミュレーションでは、システム内の部品配置や部品サイズを考慮に入れたシミュレーションを行うことができない。現状、システム内の部品配置や部品サイズの検討は、CAD(Computer Aided Design)上で作業者が手作業で行うことが多く、部品配置や部品サイズが確定するまでに時間がかかってしまう。
特開2017-10248号公報
そこで、本発明の一実施形態では、部品配置や部品サイズの検討を短時間で効率よく行うことができるシミュレーション用データ、演算方法及び演算装置を提供するものである。
上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態によれば、半導体装置のシミュレーションを実行する演算装置に入力されるシミュレーションデータであって、シミュレーション対象回路に含まれる部品の形状を記述した部品形状情報と、
前記シミュレーション対象回路の動作及び接続情報を記述したモデル情報と、
前記シミュレーション対象回路に含まれる前記部品のシンボル情報と、を含み、前記演算装置が、前記部品形状情報と、前記モデル情報と、前記シンボル情報とを関連づけて、前記半導体装置のシミュレーションの実行に用いられる、シミュレーション用データが提供される。
一実施形態によるシミュレーション用データを示す図。 部品の一例を示す平面図。 図2AのNMOSトランジスタを表すシンボルの一例を示す図。 図1のシミュレーション用データの一具体例を示す図。 外部ファイルの一例を示す図。 演算装置の内部構成の一例を示すブロック図。 演算装置の処理動作の一例を示すフローチャート。 図6のステップS2で生成されたシミュレーション対象回路の一例を示す回路図。 レイアウト配置結果の一例を模式的に示す図。 シミュレーション対象回路の再設計と、レイアウトの再配置を行う概念図。 配線の回路シミュレーション結果を示す信号波形図。 モデル情報だけでシミュレーション対象回路を生成して回路シミュレーションを行った場合の信号波形図。 オーバーシュートを起こした信号波形を示す図。
以下、図面を参照して、シミュレーション用データ、演算方法及び演算装置の実施形態について説明する。以下では、シミュレーション用データ、演算方法及び演算装置の主要な構成部分を中心に説明するが、シミュレーション用データ、演算方法及び演算装置には、図示又は説明されていない構成部分や機能が存在しうる。以下の説明は、図示又は説明されていない構成部分や機能を除外するものではない。
図1は一実施形態によるシミュレーション用データ1を示す図である。図1のシミュレーション用データ1は、部品形状情報I1と、モデル情報I2と、シンボル情報I3とを備えている。
部品形状情報I1は、シミュレーション対象回路に含まれる部品の形状を記述した情報である。ここで、形状を記述した情報とは、半導体装置の外形形状を表す情報、例えば、半導体装置のサイズや角部の位置情報などである。シミュレーション対象回路は、限定されるものではなく、アナログ回路でもよいし、デジタル回路でもよいし、アナログ回路とデジタル回路が混在していてもよい。部品の種類も特に問わない。部品は、IC(Integrated Circuit)でもよいし、ディスクリート部品でもよい。
図2Aは部品2の一例を示す平面図である。図2Aの部品2は例えばNMOSトランジスタであり、3つの端子T1~T3を有する。部品形状情報I1は部品2の外形形状を規定する情報を含んでいる。図2Aの例では、部品2の角部(図2Aの黒丸位置)の座標情報が部品形状情報I1に含まれる。また、部品形状情報I1には、部品2の端子の位置情報が含まれていてもよい。図2Aに示すように、3つの端子の座標情報を部品形状情報I1に含めてもよい。
図1のモデル情報I2は、シミュレーション対象回路の動作及び接続情報を記述した情報である。ここで、動作情報とは、シミュレーション対象回路がどのような動作を行うのかを記述した情報である。接続情報とは、ある素子と他の素子との接続関係を示す情報である。より具体的な一例では、ある素子の各端子が、他の素子のどの端子に接続されているかを示す情報や、ある素子の各端子が半導体装置内のどの入力端子又は出力端子に接続されているかを示す情報などである。モデル情報I2の記述に従って、シミュレータ等にて、自動的に回路を生成することが可能となる。モデル情報I2は、シミュレーション対象回路に含まれる部品2の接続情報と、部品2の動作情報とを含んでいる。モデル情報I2は、部品2の端子に関する情報を含んでいる。部品2の端子に関する情報は、部品形状情報I1に含まれる部品2の端子との対応関係を示す情報を含んでいる。より具体的には、部品2の端子に関する情報は、部品2の端子の接続情報を含んでいる。モデル情報I2は、シミュレーション対象回路の動作を記述したファイルのファイル名と、ファイルを参照するための情報とを含んでいてもよい。
図1のシンボル情報I3は、シミュレーション対象回路に含まれる部品2を表す指標である。シンボル情報I3は、部品2を識別しやすい指標であればよく、必ずしも統一された形態の指標である必要はない。図2Bは図2AのNMOSトランジスタを表すシンボル3の一例を示す図である。図2Bのシンボル3には、図2Aの端子T1~T3に対応づけて、3つの端子T1~T3が設けられている。なお、シンボル情報I3には、部品形状情報I1における端子名と対応づけて、シンボル3における端子名が記述されるため、部品形状情報I1における端子名と、シンボル3における端子名とは必ずしも同じである必要はない。シンボル情報I3は、部品2の種類ごとに異なっており、部品2の端子の位置情報を含んでいる。シンボル情報I3は、部品形状情報I1に含まれる部品2の端子の位置情報に対応づけて記述される。
図1のシミュレーション用データ1は、一つのファイル(以下、統合ファイルと呼ぶこともある)内に保存することができる。このファイルは、コンピュータによって解釈して実行可能な形式で生成されている。また、このファイルは、例えば、特定のウェブサイトからダウンロードできるようにしてもよい。ダウンロードされたファイルは、ダウンロード先のコンピュータにて解釈して実行することができる。コンピュータは、統合ファイル内のシミュレーションデータを実行することで、回路の生成と、生成した回路の動作検証(シミュレーション)を行うことができる。コンピュータの代わりに、専用のシミュレータに統合ファイルを入力して、シミュレーションを行ってもよい。本明細書では、統合ファイルを解釈して実行するコンピュータ等を総称して演算装置と呼ぶ。
図3は図1のシミュレーション用データ1の一具体例を示す図であり、上述した統合ファイルの中身である。図3のシミュレーション用データ1は、図2A及び図2Bの部品2であるNMOSトランジスタに関する記述例を示している。図3のシミュレーション用データ1は、ASCIIコードからなるテキスト情報であり、部品形状情報I1と、モデル情報I2と、シンボル情報I3とを含んでいる。図3の例では、部品形状情報I1、モデル情報I2及びシンボル情報I3の順に記述されているが、各情報が記述される順序は任意である。
図3の部品形状情報I1は、部品2の外形形状の座標を記述した行群Ln1と、部品2の端子T1~T3の識別情報及び座標を記述した行群Ln2とを有する。図2Aに示すように、部品2の端子T1~T3はそれぞれ所定の長さ及び幅を有するが、行群Ln2には、各端子T1~T3の領域の中心座標を記述している。
図3のモデル情報I2を記述する行Ln3内の1行目は、外部ファイル"NMOS.Lib"を参照している。この外部ファイルは、シミュレーション対象回路の動作及び接続情報を記述したファイルである。図4は外部ファイルの一例を示す図である。図4の外部ファイルには、図2A及び図2Bの部品2であるNMOSトランジスタの端子情報、特性、動作、接続情報などが記述される。特性とは、例えば、NMOSトランジスタのゲート幅、ゲート長、ゲート絶縁膜の膜厚、ゲートに供給される電圧範囲などである。
図3のモデル情報I2を記述する行群Ln3内の2行目以降には、部品形状情報I1内のNMOSトランジスタの各端子と、モデル情報I2内のNMOSトランジスタの各端子との対応関係が記述されている。例えば、部品形状情報I1内のNMOSトランジスタは、端子T1~T3に対応する識別IDを”1”~”3”とするのに対し、モデル情報I2内のNMOSトランジスタは、端子T1~T3に対応する識別IDを”A”、”B”、”C”を有するため、”1”を”A”に、”2”を”B”に、”3”を”C”に対応づけることが記述されている。
図3のシンボル情報I3は、シンボルの外形形状を記述する行群Ln4と、シンボルの端子A,B,Cと部品形状情報I1内のNMOSトランジスタの端子T1~T3との対応関係を記述する行群Ln5とを含んでいる。図3はモデル情報I2の一例であり、モデル情報I2の書式は任意である。
図3に示すシミュレーション用データ1を含む統合ファイルは、必要に応じて不図示の記憶部に記憶されてもよい。図3に示すシミュレーション用データ1は、シミュレータ等の演算装置によって読み出されて、統合ファイルの内容が解釈されてシミュレーションが実行される。
図5は演算装置10の内部構成の一例を示すブロック図である。図5の演算装置10は、入力部11と、部品情報記憶部12と、シンボル情報記憶部13と、外部ファイル記憶部14と、実行部15と、出力部16と、検証部17とを備えている。図5の演算装置10は、半導体装置のシミュレーションを実行する。演算装置10は、部品形状情報I1と、モデル情報I2と、シンボル情報I3とを関連づけて、半導体装置のシミュレーションを実行するために、シミュレーション用データ1を用いる。
入力部11は、図3に示す統合ファイルを入力する。作業者は、キーボード等で図3の統合ファイルを入力してもよい。あるいは、通信機能を有する電気機器から入力部11を介して電子的に統合ファイルを取り込んでもよい。
部品情報記憶部12は、種々の部品情報を記憶する。部品情報とは、図2Aに示すように、部品2の外形形状、サイズ、端子数、端子位置などの情報である。
シンボル情報記憶部13は、種々の部品2のシンボル情報I3を記憶する。シンボル情報I3は、図2Bに示すように、各部品2のシンボルと、シンボルに含まれる端子情報などである。
外部ファイル記憶部14は、モデル情報I2に記述される外部ファイルを記憶する。なお、外部ファイルを参照せずに、モデル情報I2に直接、シミュレーション対象回路の動作及び接続情報を記述する場合には、外部ファイル記憶部14を設けなくてもよい。
実行部15は、入力された統合ファイル内に記述された部品形状情報I1、モデル情報I2及びシンボル情報I3を読み出して解釈し、部品形状情報I1、モデル情報I2及びシンボル情報I3に基づいてシミュレーション対象回路を生成して、生成された回路に基づいてシミュレーションを実行する。
後述するように、実行部15が行うシミュレーションには、回路シミュレーション、電磁界シミュレーション、温度シミュレーションなどの複数のシミュレーションがある。本明細書では、同一の実行部15が複数のシミュレーションを行う例を示すが、複数の演算装置10(シミュレータ)がそれぞれ別個のシミュレーションを行ってもよい。
出力部16は、実行部15が実行したシミュレーション結果を出力する。シミュレーション結果の出力形式は任意である。
検証部17は、出力部16から出力されたシミュレーション結果に基づいて、統合ファイルに基づいて生成された回路又はレイアウト配置が妥当か否かを検証し、妥当でなければ、回路又はレイアウト配置を変更する。
図6は演算装置10の処理動作の一例を示すフローチャートである。まず、入力部11を介して統合ファイルを入力する(ステップS1)。次に、実行部15は、統合ファイルを読み出して解釈し、部品形状情報I1、モデル情報I2及びシンボル情報I3に基づいて、シミュレーション対象回路を生成する(ステップS2)。生成されたシミュレーション対象回路は、出力部16から出力される。
図7は図6のステップS2で生成されたシミュレーション対象回路の一例を示す回路図である。図7のシミュレーション対象回路は、主要な部品2として、モータ21と、モータ21の駆動を制御する複数のトランジスタ22と、これらトランジスタ22のゲート電圧を制御する制御部23とを備えている。図7のシミュレーション対象回路に含まれる各部品2のシンボルは、シンボル情報I3に含まれるものである。
次に、実行部15及び検証部17は、回路シミュレータを用いて、シミュレーション対象回路の動作検証を行う(ステップS3)。次に、回路シミュレータのシミュレーション結果に基づいてシミュレーション対象回路の動作に問題があるか否か判定する(ステップS4)。動作に問題がある場合には、ステップS2以降の処理を繰り返す。なお、場合によって、ステップS4で問題があると判定されたときに、新たな統合ファイルを入力し直しても良い。この場合、ステップS1以降の処理が繰り返されることになる。
ステップS4で動作に問題がないと判定された場合、動作検証済みのシミュレーション対象回路に基づいて、レイアウト配置を行う(ステップS5)。本実施形態による演算装置10は、レイアウト配置も行うことができるものとするが、ステップS5以降の処理は、別の演算装置10等で行ってもよい。あるいは、本実施形態による演算装置10は、レイアウト配置を行う別の装置にレイアウト配置処理を依頼し、レイアウト配置結果を受領して、ステップS5以降の処理を行ってもよい。
図8はレイアウト配置結果の一例を模式的に示す図である。図8の例では、図7のモータ21が配置領域r1に、複数のトランジスタ22は配置領域r2に、制御部23が配置領域r3に配置された例を示している。
図6のステップS5でレイアウト配置を行った後、演算装置10は、レイアウト配置結果に基づいて電磁界シミュレーションを行う(ステップS6)。次に、電磁界シミュレーションの結果に問題あるか否かを判定する(ステップS7)。例えば、電磁界シミュレーションにより、半導体装置のレイアウト領域内の一部から発生するEMI(Electro Magnetic Interference)ノイズが所定の閾値を超えたと判定された場合に、問題があると判定する。
ステップS7で問題があると判定された場合、レイアウト変更を行うか否かを判定する(ステップS8)。レイアウト変更を行うと判定された場合は、ステップS5以降の処理を繰り返す。一方、例えばレイアウト変更程度では、ステップS7の問題が解決しないと判断される場合は、ステップS2以降の処理を繰り返す。
ステップS7で問題ないと判定された場合は、ステップS5のレイアウト配置結果を、出力部16を介して出力する(ステップS9)。
本実施形態によるシミュレーション用データ1は、モデル情報I2だけでなく、部品形状情報I1とシンボル情報I3を含んでいるため、シミュレーション対象回路で用いられる部品2のシンボルを容易に自動選択でき、シミュレーション対象回路を迅速に生成できる。また、レイアウト配置を行う際にも、部品形状情報I1に基づいて、部品2の形状及びサイズを考慮に入れてレイアウト配置を行うことができ、各部品2間の配線長や配線容量を見積もりやすくなる。そして、レイアウト配置によって見積もった各部品2間の配線長や配線容量を、回路シミュレーションを行う際に考慮することができ、各配線に、実際の配線遅延に近い配線遅延を持たせた上で、シミュレーション対象回路の動作検証を行うことができる。
図9は本実施形態による演算装置10で生成されたシミュレーション対象回路(図9の上側)24のシミュレーション結果と、レイアウト配置(図9の下側)25の結果を互いに利用しあって、シミュレーション対象回路の再設計と、レイアウトの再配置を行う概念図である。
例えば、図9のレイアウト配置25に示すように、制御部23からトランジスタ22のゲートまでの配線長L1,L2が、トランジスタ22によって異なる場合について説明する。
本実施形態によるシミュレーション用データ1は、部品形状情報I1を含んでいるため、レイアウト配置を行う際に、部品形状やサイズを考慮に入れて、各部品2を配置して、各部品2間の配線接続を行うことができる。例えば、図9のレイアウト配置では、配線L1がL2よりも長いという結果が得られる。配線長が長いほど、配線容量が大きくなって配線遅延が起きやすくなる。そこで、レイアウト配置の結果を図9の左側のシミュレーション対象回路を用いた回路シミュレーションに反映させることで、配線L1は配線L2よりも配線遅延が大きいという情報を付加した上で、回路シミュレーションを行うことができる。
図10Aは、配線L1,L2の回路シミュレーション結果を示す信号波形図である。配線L1は配線L2よりも配線長が長くて配線容量も大きいため、波形の立ち上がりタイミングが配線L2よりも遅れており、かつ波形もなまっている。信号の立ち上がりタイミングが遅れると、場合によっては、回路が正常に動作しなくなるが、本実施形態による回路シミュレーションでは、レイアウト配置結果に基づいて配線長の違いを考慮に入れることができるため、配線長の違いによる立ち上がりタイミングのずれを見込んで、シミュレーション対象回路の動作検証を行うことができる。
図10Bは、部品形状情報I1とシンボル情報I3を用いずに、モデル情報I2だけでシミュレーション対象回路を生成して回路シミュレーションを行った場合の信号波形図である。図10Bの場合、配線長の違いを考慮に入れることができないため、図9の配線L1とL2の立ち上がりタイミングは同じとみなされてしまい、回路シミュレーションによる動作検証の精度が低下してしまう。
図9では、部品形状情報I1に基づいてレイアウト配置を行った結果を回路シミュレーションに反映させる例を示したが、回路シミュレーションの結果から各部品2の損失情報を算出し、算出された損失情報を物理形状での熱シミュレーションの条件とすることで、実際の動作に近い条件で熱シミュレーションを行うことができる。
例えば、図9の配線L1,L2に着目する。図9のシミュレーション対象回路を用いて回路シミュレーションを行った結果、配線L1と配線L2の信号波形が図11のようになったとする。配線L1は配線L2よりもオーバーシュートが大きく、配線L1に接続されたトランジスタ22の発熱量が大きくなると予想される。すなわち、配線L1は、配線L2よりも熱損失が大きいと予測される。そこで、この回路シミュレーションで得られた熱損失情報を熱シミュレーションに付与することで、熱シミュレーションでは、レイアウト配置されたトランジスタ22がトランジスタ22よりも発熱量が大きいものとみなして熱シミュレーションを行うことができる。
このように、本実施形態では、モデル情報I2だけでなく、部品形状情報I1とシンボル情報I3を含むシミュレーション用データ1を生成するため、実際の部品2配置や配線配置に近い状態でシミュレーションを実行でき、シミュレーションの精度を向上できる。
また、シミュレーション対象回路で使用される部品2シンボルの選択を迅速に行うことができ、設計者の意図に沿ったシミュレーション対象回路を迅速に生成できる。また、部品形状情報I1を用いることで、レイアウト領域内に配置される部品2の形状及びサイズを実際のものに近づけることができる。
さらに、本実施形態によれば、部品形状情報I1に基づいてレイアウト配置を行うことで、レイアウト配置結果から、配線長の違いを把握でき、配線長の違いを回路シミュレーションに反映させることで、配線遅延を考慮に入れた回路シミュレーションを行うことができる。
また、本実施形態によれば、回路シミュレーションの結果から、各部品2の損失情報を推測でき、損失情報を熱シミュレーションに反映させることで、レイアウト領域内の温度分布を精度よく予測できる。
上述した図1のシミュレーション用データ1は、演算装置10が実行可能なプログラムの形式のデータであってもよい。すなわち、図1のシミュレーション用データ1は、部品形状情報I1、モデル情報I2及びシンボル情報I3をそれぞれ別々のパラメータとするプログラムの形式で記述されていてもよい。より具体的には、このプログラムには、演算装置10が実行可能な一つ又は複数の関数が記述されており、この関数の引数として部品形状情報I1、モデル情報I2及びシンボル情報I3が与えられてもよい。
上述した実施形態で説明した演算装置10の少なくとも一部は、ハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。ソフトウェアで構成する場合には、演算装置10の少なくとも一部の機能を実現するプログラムをフレキシブルディスクやCD-ROM等の記録媒体に収納し、コンピュータに読み込ませて実行させてもよい。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の着脱可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でもよい。
また、演算装置10の少なくとも一部の機能を実現するプログラムを、インターネット等の通信回線(無線通信も含む)を介して頒布してもよい。さらに、同プログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、あるいは記録媒体に収納して頒布してもよい。
本開示の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本開示の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本開示の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。
1 シミュレーション用データ、10 演算装置、11 入力部、12 部品情報記憶部、13 シンボル情報記憶部、14 外部ファイル記憶部、15 実行部、16 出力部、17 検証部、I1 部品形状情報、I2 モデル情報、I3 シンボル情報、

Claims (14)

  1. シミュレーション対象回路に含まれる部品の形状を記述した部品形状情報と、前記シミュレーション対象回路の動作及び接続情報を記述したモデル情報と、前記シミュレーション対象回路に含まれる前記部品のシンボル情報と、を含む統合ファイルを入力する入力部と
    前記部品形状情報と、前記モデル情報と、前記シンボル情報とを関連づけて、前記シミュレーション対象回路のシミュレーションを実行する実行部と、を備える、演算装置
  2. 前記部品形状情報は、前記部品の外形形状を規定する情報を含む、請求項1に記載の演算装置
  3. 前記部品形状情報は、前記部品の角部の位置情報を含む、請求項2に記載の演算装置
  4. 前記部品形状情報は、前記部品の端子の位置情報を含む、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の演算装置
  5. 前記モデル情報は、前記シミュレーション対象回路に含まれる前記部品の接続情報と、前記部品の動作情報とを含む、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の演算装置
  6. 前記モデル情報は、前記部品の端子に関する情報を含んでおり、
    前記部品の端子に関する情報は、前記部品形状情報に含まれる前記部品の端子との対応関係を示す情報を含む、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の演算装置
  7. 前記部品の端子に関する情報は、前記部品の端子の接続情報を含む、請求項6に記載の演算装置
  8. 前記モデル情報は、前記シミュレーション対象回路の動作を記述したファイルのファイル名と、前記ファイルを参照するための情報とを含む、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の演算装置
  9. 前記シンボル情報は、前記部品の種類ごとに異なっており、前記部品の端子の位置情報を含む、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の演算装置
  10. 前記シンボル情報は、前記部品形状情報に含まれる前記部品の端子の位置情報に対応づけて記述される、前記部品の端子の位置情報を含む、請求項9に記載の演算装置
  11. 前記部品形状情報、前記モデル情報及び前記シンボル情報は、前記シミュレーション対象回路のシミュレーションを実行する演算装置によって解釈されて実行される書式で記述される、請求項1乃至10のいずれか一項に記載の演算装置
  12. シミュレーション対象回路に含まれる部品の形状を記述した部品形状情報と、前記シミュレーション対象回路の動作を記述したモデル情報と、前記シミュレーション対象回路に含まれる前記部品のシンボル情報と、を含む統合ファイルに記述されるシミュレーション用データを入力し、
    前記統合ファイルに含まれる前記部品形状情報と、前記モデル情報と、前記シンボル情報とを関連づけて、前記シミュレーション対象回路のシミュレーションを実行する、演算方法。
  13. 前記モデル情報及び前記シンボル情報に基づいて前記シミュレーション対象回路を生成し、
    前記生成されたシミュレーション対象回路の検証を行い、
    検証済みの前記シミュレーション対象回路、前記部品形状情報、及び前記モデル情報に基づいて部品のレイアウト配置を行い、
    前記部品のレイアウト配置の検証を行う、請求項12に記載の演算方法。
  14. 前記部品のレイアウト配置の検証では、前記部品形状情報と、前記モデル情報に含まれる前記部品の接続情報とに基づいて前記部品の配置場所を検証する、請求項13に記載の演算方法。
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