電磁場模擬工具：HFSS、Momentum和EMX比較

十年前，晶元設計業才剛開始嘗試在硅襯底上設計毫米波電路。那時候大家一般認為只有毫米波電路才需要使用到電磁場模擬工具，因為代工廠提供的電感電容模型普遍不會驗證到毫米波頻段，比如台積電65納米的射頻工藝，他們的電感模型是根據測試結果擬合到24GHz，頻率再往上就不能夠保證了，需要自己去驗證。

最近幾年發現，電磁場模擬越來越成為射頻電路設計人的必備技能之一。

電磁場模擬工具使用的範圍越來越廣，不僅是高頻，在幾GHz的射頻範圍內也被大量使用到。如果不掌握電磁場模擬工具，設計射頻電路會受到很大的限制，像傳輸線變壓器等器件不能用，很多電路技術也就不能用了。隨著電路速度變快、封裝變得複雜，現在連電路板和封裝都需要使用電磁場模擬工具驗證，像Ansys就出了一套專門針對電路板和封裝的電磁場模擬工具-SIwave。

商用的電磁場模擬工具有非常多種，包括Ansys出的HFSS、Keysight公司的Momentum（集成在ADS軟體之中）、最近新出的Integrand公司的EMX、還有Helic、Sonnet、IE3D、CST等等。我用過其中的HFSS、Momentum、EMX和Helic。在這裡我想試著比較HFSS、Momentum和EMX有什麼異同。

在開始比較前，我想先強調兩點。

1）儘管不同的商用電磁場模擬工具採用的演算法各不相同，但是我們應該相信：對於片上電感等常見結構，在模擬器設置正確的情況下，各個模擬工具應該能得到相似的結果。如果對模擬結果有疑問，一個簡單的驗證方法是：使用不同原理的兩種電磁場模擬工具對同一模型進行模擬，看結果是否接近。如果結果相差較遠，則需要對模擬設置進行仔細檢查。

不同電磁場模擬工具的結果對比[1] （以後我會針對本文的三種軟體做模擬對比）

2）主流的電磁場模擬工具都已經可以支持不止一種演算法。在包含的演算法層面，不同的電磁場模擬工具可能會越來越趨同。多數模擬工具都希望把自己的軟體做成一個一站式平台，讓用戶在平台中完成各種處理，不需要在不同的工具中倒來倒去，增加用戶黏性。

比如，Ansys旗下除了通用型的採用三維有限元分析(FEM)的HFSS，同時也有採用2.5維矩量法(MoM)的SIwave和Ansys Designer，以及同時集成了HFSS模擬和PlanarEM模擬和快速Mesh的HFSS 3D layout。用戶可根據模擬規模、頻率範圍、精度要求來選擇相應工具。而ADS的Momentum最早採用2.5D矩量法，適用於層狀結構的模擬。在較新的版本（ADS2014.1）中，支持3D有限元分析和有限時域差分（FDTD）演算法的EMPro也集成在內，從而支持任意3D結構的模擬。

HFSS

HFSS是老牌電磁場模擬軟體公司Ansoft（2008年與Ansys合併）旗下的經典軟體。最早由卡內基梅隆大學的Zoltan Cendes教授和他的學生開發，他們成立了Ansoft公司，從1989年開始出售HFSS軟體，是世界上第一個商業化的3D電磁場模擬軟體。經過多年發展，HFSS已成為電磁場模擬工具業界標杆。HFSS採用3D有限元分析方法，可以模擬任意的3D結構，功能十分強大，可以自適應劃分網格，具備強大和豐富的天線分析功能，被廣泛用於天線設計、介面設計、封裝設計等等。

由於有限元分析的原理限制，當處理規模較大的結構時，HFSS需要消耗巨大的計算資源和時間。由於它是通用型的工具，沒有針對片上元件的模擬做單獨優化，我們需要自行將版圖從Cadence導入HFSS，自行對模型進行簡化以減輕計算量，步驟相對繁瑣。

相比於其他兩種軟體，HFSS在添加激勵上靈活性最大，支持波埠與集中埠。但是，靈活性導致的結果是，模擬結果的正確性與精度也極度依賴於添加激勵的方式是否合適。HFSS同時也是這三個軟體之中唯一必須明確指定埠的參考電位（reference）的一個。這一點對於片上電感模擬尤其重要，涉及到電流迴流（return current）的問題。我以後可能專門講講我對HFSS的激勵添加與電流迴流的理解。

據我的小規模採樣，在高校里大家更多的採用HFSS進行電磁場模擬。這並非偶然，HFSS本身功能強大、通用性強，可對任意3D結構進行模擬，涵蓋了晶元設計所需電磁場模擬的方方面面，很適合用來研究一些新型無源器件結構。而HFSS設置複雜、模擬較慢的缺點在高校則不成為問題。高校的研究一般晶元尺寸較小，也非大規模重複勞動，設計效率並非其關注的重點。相比於想創新點的時間，HFSS設置和模擬驗證的時間可以忽略。

TIPS:

根據工作頻率範圍、模型規模選擇合適的電磁場模擬演算法非常重要，可以在不太犧牲精確度的情況下大大提高效率。

我試過8層倒封裝結構的電磁場模擬，導入SIwave中並模擬得到S參數，需要二十分鐘；導入HFSS 3D layout採用三維有限元分析求解需要8小時40分鐘，最多消耗36.2GHz內存；HFSS最慢，導入過程本身就需要越兩小時，後續的埠設置、介質層設置幾乎處於不可用的狀態，稍微移動模型HFSS就需要延遲分鐘量級才響應，沒有等待它完成模擬我就放棄了。

HFSS 3D Layout與SIwave結果比較

HFSS作為全波3D電磁場模擬軟體的業界標杆，卻似乎一直對晶元設計這一領域不夠重視，很少針對晶元設計這一領域做優化。我最近用過同屬Ansys旗下的用於檢查片上電源網路IR Drop和可靠性的軟體Totem，需要先跑三次文本腳本、換一個設計就要重新改腳本內容、然後才啟動圖形界面。雖然是專業軟體，但這用戶體驗也太脫離主流趨勢了。在我看來，這些腳本很容易集成在軟體圖形界面之中或者實現自動化，不知Ansys為何不完成這最後一步。

目前HFSS支持TSMC，Intel，GLOBALFOUNDRY和TowerJazz四家代工廠的半導體工藝，並不算多。主流工藝中，IBM和UMC沒有被包含進來。

TSMC支持的軟體平台（2008）[2]

Momentum

Momentum現在混合信號與系統模擬軟體ADS（Advanced Design System）中的一部分。ADS軟體現屬於是德科技（keysight）公司旗下（2014年從安捷倫公司中分拆出來）。Momentum最早於1993年左右由從IMEC分拆出來的公司Alphabit開發，後來被惠普收購、後來分拆出安捷倫、再後來分拆出是德科技。Momentum採用2.5維的矩量法對電磁場求解，只適用於層狀結構。但是，在現在的版本中，有限元分析和有限時域差分演算法也集成在Momentum之中，從而大大的擴展了其適用範圍。

Momentum的設置相對HFSS稍微簡單一點。在添加激勵方面，並不需要指定顯式的參考電位，當襯底底部存在地平面時，它默認以地平面為參考，否則Momentum會以無限遠處的電位作為參考。

TIPS：

為了得到準確的結果，Momentum埠尺寸必須滿足兩點條件：

1）Momentum計算電磁場分布時，會認為從激勵埠負端到正端的電流沒有延時，這僅在埠正負端距離遠小于波長時才成立。一般要求這個距離小於與波長的1/10，包括顯式的正端和負端的距離或者正端到襯底底部地平面的距離。

2）Momentum會認為整個埠邊沿電位都相同，為了使這個假設成立，我們要求激勵邊沿的尺寸小于波長的1/10。

Momentum埠尺寸需滿足的條件（來源：ADS幫助文檔）

Momentum的一大優勢是與ADS結合的很緊密，如果統一採用ADS平台進行電路和版圖設計，那麼將會非常方便。Momentum支持電磁場與電路之間的聯合模擬，在電路中對無源元件尺寸修改後，還能自動更新到版圖中，自動完成新版圖的電磁場模擬。可問題是，ADS在集成電路版圖設計方面遠不如Cadence和Synopsys平台流行，採用Cadence和Synopsys平台的用戶還是需要在多個軟體平台中倒來倒去，降低了其方便性。

我博士期間做毫米波電路設計時，都是用ADS做電路和系統模擬、HFSS做電磁場模擬、Cadence畫版圖、Calibre做DRC、LVS和參數提取，需要不停的在這些軟體中導數據，有時候一不小心還會出現埠連錯等現象，說起來都是淚啊。想想這些，統一平台的吸引力就體現出來了。

TIPS：

ADS的幫助文檔寫的非常棒，全面且詳細，跟其他兩個軟體的幫助文檔不在一個級別上。我覺得其內容不遜於多本教科書。電磁場模擬的部分也是這樣。而且ADS提供了很多實例以及設計指導，選擇合適的例子，把裡面的待測件換成自己的電路，會起到事半功倍的效果。想當初我最開始做功率放大器設計時就是從ADS的設計指導中找的設計流程。剛接觸serdes模擬時，我也是詳細研究了ADS中的例子。

Momentum支持的代工廠非常多，在其網頁上可以找到，這裡不一一列出了。

EMX

EMX是Integrand公司旗下的電磁場模擬工具。Integrand公司由貝爾實驗室的技術人員在2003年創辦，是電磁場模擬工具領域的後起之秀。EMX與Momentum類似，採用2.5維矩量法進行求解，因而只適用於層狀結構。在模擬時，EMX會對模型進行如下的假設：所有的介質層在x-y平面內無限大；模型最底層有無限大的理想金屬地平面；頂層介質（一般為空氣）在Z軸向上無限延伸；不同層的金屬可通過電導率一定的通孔連接。我們一般常見的片上無源器件，如傳輸線，電感，變壓器，電容等，都能夠滿足EMX的假設。但是對於bonding線、BGA封裝等非層狀結構以及橫截面非直線的金屬結構，EMX就無能為力了。

EMX最近在業界很流行，我知道有好幾家設計公司，都選擇了EMX來做電磁場模擬，似乎口碑不錯。在一個已經有包括功能強大的業界標杆HFSS、採用類似演算法的Momentum、IE3D、Sonnet以及同為後起之秀的Helic等眾多商用電磁場模擬工具的競爭市場，EMX作為後來者，取得這樣的成績令人驚嘆。

我覺得這與其自我定位是分不開的。適用範圍上，它不如HFSS以及將有限元分析也集成在內的momentum；模擬結果準確度上，我也不認為它比其他軟體能有顯著的提高；模擬速度上，一方面對於單個電感變壓器等簡單器件，大家都能在幾分鐘或幾十分鐘解決戰鬥，另一方面對於頻率較低的複雜結構，ANSYS有SIwave和HFSS 3D Layout, Momentum有基於quasi-static的Momentum RF，這些都能夠顯著提高模擬速度。

EMX顯著勝於其他幾款軟體的是其易用性。在其他軟體想把自己做成萬能平台時，EMX卻把自己打造成Cadence里的一個完美插件，將片上無源器件模擬這一塊做到極致。EMX甚至沒有自己的模型編輯界面，用戶直接在Cadence版圖界面的菜單下啟動EMX，EMX自己根據代工廠提供的工藝文件在背後生成模型，完成通孔合併等化簡操作，用戶完全不需要為之操心，完全從HFSS的那些繁瑣步驟里解放出來。

EMX也盡量使自己的菜單變的簡潔，總共只有兩級菜單，對於常規模擬，僅僅需要設置MESH尺寸，模擬頻率和埠名稱即可。EMX還將一些不常用的功能放在了文本命令里，比如是否包含Dummy填充物、列印電流分布等功能。這也進一步簡化了它的菜單。用戶也無需考慮埠的參考電位，EMX默認選取結構底部的無限金屬平面作為參考。

TIPS:

對於電感、傳輸線、變壓器模擬時，EMX的橫向MESH尺寸需設置為小於線寬的1/3，縱向尺寸保持默認即可。這點我問過EMX工程師，他說EMX會自己處理縱向MESH尺寸。大家可以設置不同的mesh尺進行模擬，看結果的收斂情況。

EMX會自動識別版圖中的LABEL，並將離其最近的金屬邊緣設置為激勵埠。LABEL並不需要與金屬接觸。模擬前最好檢查一下是否EMX是否選擇了正確的金屬邊緣。

EMX除了在易用性方面做出上面的努力之外，還有兩個很獨特的功能：根據電磁場模擬的S參數，選擇一種預設的集總參數模型，自動擬合出參數；提供可變參數的模型。這一點之前我在ADS中也可以做到，自己畫結構、設置參數、設置範圍約束、設置目標、跑一個優化，最終得到集總參數模型。從描述即可看出這是個很費事的過程。而EMX為我們一鍵解決了這個問題！

對於一個小公司來說，這真是非常聰明的策略。小公司精力和資源都極其有限，與成熟企業拼全面性是不可能贏的。與其追求全面，不如先滿足大家百分九十的需求，把節省下來的精力和資源花在跟代工廠建立聯繫、優化用戶體驗等方面，從易用性方面打造其核心價值。你說最後的參數擬合有多難嗎？我不覺得，但是EMX額外做了這一步，對用戶來說就方便了很多。從商業的角度，小公司也只有集中精力和資源才可能有價格優勢。

目前EMX支持TSMC、GLOBALFOUNDRY、UMC和IBM，情況甚至好於HFSS。對於TSMC的最新工藝，我確定EMX支持到16FFC工藝，我做過這個工藝的模擬。據說EMX也接觸到最新的7nm的模型（這點不是很確定）。與代工廠建立聯繫這一點也尤為重要。據EMX的客戶經理講，TSMC在製造晶元時，會根據金屬圖案對線寬做調整，在版圖裡畫一條50nm的金屬線，最終生產出來不一定是50nm。如果電磁場模擬工具想得到準確的結果，就必須把這些因素考慮在內，而不與代工廠建立良好聯繫，是得不到這些詳細信息的。

TIPS：

據EMX客戶經理講，通過客戶們這些年流片驗證，EMX對電感的模擬精度已經非常有信心。但是，插指電容的模擬並不像電感模擬那麼容易。一方面，金屬線的邊緣電容本身就很難算準，另一方面，TSMC會對MOM電容的版圖做很多後期調整。因此他建議，在需要精確的電容量時，最好使用TSMC提供的模型，電磁場模擬工具或者反提工具可做為參考。如果是高頻電容，可以考慮使用平板電容而不是插指電容。

[1] Vandenbosch, Guy AE, and Alexander Vasylchenko. "A practical guide to 3D electromagnetic software tools." Microstrip Antennas. InTech, 2011.

[2] Steven Chen, "TSMC PDK Support & Interoperable PDK library"

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