回路シミュレータ

カイロシミュレータ

2005.11.25

　回路シミュレータ（circuit simulator）は，電子回路のアナログ動作を模擬するEDAツール。トランジスタ・レベルの回路接続情報と回路内の素子の電気的特性（モデル・パラメータ)を入力すると，回路内のノード電圧と素子に流れる電流の直流特性，時間応答，および周波数応答を出力する。

　回路シミュレータは，トランジスタ・レベルの回路設計に使われる。特に，フルカスタムLSIやメモリLSI，アナログICの設計には不可欠なEDAツールである。例えば，回路構成案の選択時や，トランジスタの寸法の決定のときなどに使われる。素子寸法や電気的パラメータのバラつきが回路特性に与える影響を解析したり，配線やSi基板を介した寄生雑音の影響の解析などにも活用されている。ASICでは，マクロセル・ライブラリの開発に必須のツールである。

EDAの世界では歴史が長い

　EDAの世界では，回路シミュレータの歴史は長い。回路シミュレータの基本的なアルゴリズムは1970年代にすでに確立されていた。こうしたアルゴリズムを基に，米University of California, Berkeley校の「Spice」や米IBM Corp.のASTAPといった回路シミュレータが登場した。

　特にSpiceは，現在でも主流の回路シミュレータと言える。Spiceのソース・コードは基本的に公開されているため，それを拡張したツールを多くのEDAベンダが販売している。大手半導体メーカーも独自に改良を加えたSpiceを利用している。

　半導体製造技術の微細化によって，最近，回路シミュレータに新たな活躍の場が広がっている。大規模な論理LSIで，チップ上の配線を詳細に解析する必要がでてきた。

　配線を詳細に解析する必要が出てきたのはチップ上だけでない。高速動作の論理LSIを実装したプリント回路基板の設計で回路シミュレータは不可欠なツールとなってきた。大規模な回路を高速・高精度で解析できる回路シミュレータの重要性は従来にも増して高まっている（関連項目：シグナル・インテグリティ解析ツール）。

汎用性高いが，大規模は苦手

　回路シミュレータの実現手法として現在でも主流なのは，修正節点法と呼ばれる回路方程式の定式化法と，解析式を使ったデバイス・モデルの組み合わせである。修正節点法では，回路内のノード電圧と電圧源素子に流れる電流を変数として，キルヒホッフの電流電圧法則に基づく行列方程式を立てる。デバイス・モデルは，個々のトランジスタに流れる電流を計算するために，実測した電気特性(電流—電圧特性と容量—電圧特性)をモデルにしたものである。理論的あるいは実験的な考察に基づいて開発された解析式を用いる。

　このようにして作られた回路方程式は，非線形の連立常微分方程式となる。そこで，インプリシット積分法とニュートン反復法を組み合わせて，非線形の連立常微分方程式を連立代数方程式に帰着させる。そしてLU分解法などの直接解法で解く。

　この方法は，数値計算上の理論的誤差が極めて少ない厳密な解法であることが知られている。どんな種類のデバイスや回路構成であっても汎用的に適用できる。半面，適用可能な回路規模は，2万～3万素子程度が限度である。これ以上規模が大きくなると，意味のある時間で処理が終わらなくなる危険性が高い。また，一般にデバイス・モデルを表す解析式は複雑で非線形性が強いため，適切な初期値を与えないと回路方程式が収束しないことがある。

　こうした問題点を解決しようと，超並列計算機などのハードウエア処理能力を活用して，上述した基本的手法を高速化した例がいくつかある。