电磁场仿真工具大比拼：HFSS、Momentum和EMX

十年前，芯片设计业才刚开始尝试在硅衬底上设计毫米波电路 。那时候大家一般认为只有毫米波电路才需要使用到电磁场仿真工具 ，因为代工厂提供的电感电容模型普遍不会验证到毫米波频段，比如台积电65纳米的射频工艺，他们的电感模型是根据测试结果拟合到24GHz，频率再往上就不能够保证了，需要自己去验证。

最近几年发现，电磁场仿真越来越成为射频电路设计人的必备技能之一。

电磁场仿真工具使用的范围越来越广，不仅是高频，在几GHz的射频范围内也被大量使用到。如果不掌握电磁场仿真工具，设计射频电路会受到很大的限制，像传输线变压器等器件不能用，很多电路技术也就不能用了。随着电路速度变快、封装变得复杂，现在连电路板和封装都需要使用电磁场仿真工具验证，像Ansys 就出了一套专门针对电路板和封装的电磁场仿真工具-SIwave。

商用的电磁场仿真工具有非常多种，包括Ansys出的HFSS 、Keysight公司的Momentum （集成在ADS 软件之中）、最近新出的Integrand公司的EMX 、还有Helic、Sonnet、IE3D、CST等等。我用过其中的HFSS、Momentum、EMX和Helic。在这里我想试着比较HFSS、Momentum和EMX有什么异同。

在开始比较前，我想先强调两点。

1）尽管不同的商用电磁场仿真工具采用的算法各不相同，但是我们应该相信：对于片上电感等常见结构，在仿真器设置正确的情况下，各个仿真工具应该能得到相似的结果。如果对仿真结果有疑问，一个简单的验证方法是：使用不同原理的两种电磁场仿真工具对同一模型进行仿真，看结果是否接近。如果结果相差较远，则需要对仿真设置进行仔细检查。

不同电磁场仿真工具的结果对比[1] （以后我会针对本文的三种软件做仿真对比）

2）主流的电磁场仿真工具都已经可以支持不止一种算法。在包含的算法层面，不同的电磁场仿真工具可能会越来越趋同。多数仿真工具都希望把自己的软件做成一个一站式平台，让用户在平台中完成各种处理，不需要在不同的工具中倒来倒去，增加用户黏性。

比如，Ansys旗下除了通用型的采用三维有限元分析(FEM)的HFSS，同时也有采用2.5维矩量法(MoM)的SIwave和Ansys Designer，以及同时集成了HFSS仿真和PlanarEM仿真和快速Mesh的HFSS 3D layout。用户可根据仿真规模、频率范围、精度要求来选择相应工具。而ADS的Momentum最早采用2.5D矩量法，适用于层状结构的仿真。在较新的版本（ADS2014.1）中，支持3D有限元分析和有限时域差分（FDTD）算法的EMPro也集成在内，从而支持任意3D结构的仿真。

HFSS

HFSS是老牌电磁场仿真软件公司Ansoft（2008年与Ansys合并）旗下的经典软件。最早由卡内基梅隆大学 的Zoltan Cendes教授和他的学生开发，他们成立了Ansoft公司，从1989年开始出售HFSS软件，是世界上第一个商业化的3D电磁场仿真软件。经过多年发展，HFSS已成为电磁场仿真工具业界标杆。HFSS采用3D有限元分析方法，可以仿真任意的3D结构，功能十分强大，可以自适应划分网格，具备强大和丰富的天线分析功能，被广泛用于天线设计、接口设计、封装设计等等。

由于有限元分析的原理限制，当处理规模较大的结构时，HFSS需要消耗巨大的计算资源和时间。由于它是通用型的工具，没有针对片上元件的仿真做单独优化，我们需要自行将版图从Cadence导入HFSS，自行对模型进行简化以减轻计算量，步骤相对繁琐。

相比于其他两种软件，HFSS在添加激励上灵活性最大，支持波端口与集中端口。但是，灵活性导致的结果是，仿真结果的正确性与精度也极度依赖于添加激励的方式是否合适。HFSS同时也是这三个软件之中唯一必须明确指定端口的参考电位（reference）的一个。这一点对于片上电感仿真尤其重要，涉及到电流回流（return current）的问题。我以后可能专门讲讲我对HFSS的激励添加与电流回流的理解。

据我的小规模采样，在高校里大家更多的采用HFSS进行电磁场仿真。这并非偶然，HFSS本身功能强大、通用性强，可对任意3D结构进行仿真，涵盖了芯片设计所需电磁场仿真的方方面面，很适合用来研究一些新型无源器件结构。而HFSS设置复杂、仿真较慢的缺点在高校则不成为问题。高校的研究一般芯片尺寸较小，也非大规模重复劳动，设计效率并非其关注的重点。相比于想创新点的时间，HFSS设置和仿真验证的时间可以忽略。

TIPS:
根据工作频率范围、模型规模选择合适的电磁场仿真算法非常重要，可以在不太牺牲精确度的情况下大大提高效率。

我试过8层倒封装结构的电磁场仿真，导入SIwave中并仿真得到S参数，需要二十分钟；导入HFSS 3D layout采用三维有限元分析求解需要8小时40分钟，最多消耗36.2GHz内存；HFSS最慢，导入过程本身就需要越两小时，后续的端口设置、介质层设置几乎处于不可用的状态，稍微移动模型HFSS就需要延迟分钟量级才响应，没有等待它完成仿真我就放弃了。

HFSS 3D Layout与SIwave结果比较

HFSS作为全波3D电磁场仿真软件的业界标杆，却似乎一直对芯片设计这一领域不够重视，很少针对芯片设计这一领域做优化。我最近用过同属Ansys旗下的用于检查片上电源网络IR Drop和可靠性的软件Totem，需要先跑三次文本脚本、换一个设计就要重新改脚本内容、然后才启动图形界面。虽然是专业软件，但这用户体验也太脱离主流趋势了。在我看来，这些脚本很容易集成在软件图形界面之中或者实现自动化，不知Ansys为何不完成这最后一步。

目前HFSS支持TSMC，Intel，GLOBALFOUNDRY和TowerJazz四家代工厂的半导体工艺，并不算多。主流工艺中，IBM和UMC没有被包含进来。

TSMC支持的软件平台（2008）[2]

Momentum

Momentum现在混合信号与系统仿真软件ADS（Advanced Design System）中的一部分。ADS软件现属于是德科技（keysight）公司旗下（2014年从安捷伦公司中分拆出来）。Momentum最早于1993年左右由从IMEC分拆出来的公司Alphabit开发，后来被惠普收购、后来分拆出安捷伦、再后来分拆出是德科技。Momentum采用2.5维的矩量法对电磁场求解，只适用于层状结构。但是，在现在的版本中，有限元分析和有限时域差分算法也集成在Momentum之中，从而大大的扩展了其适用范围。

Momentum的设置相对HFSS稍微简单一点。在添加激励方面，并不需要指定显式的参考电位，当衬底底部存在地平面时，它默认以地平面为参考，否则Momentum会以无限远处的电位作为参考。

TIPS：
为了得到准确的结果，Momentum端口尺寸必须满足两点条件：

1）Momentum计算电磁场分布时，会认为从激励端口负端到正端的电流没有延时，这仅在端口正负端距离远小于波长时才成立。一般要求这个距离小于与波长的1/10，包括显式的正端和负端的距离或者正端到衬底底部地平面的距离。

2）Momentum会认为整个端口边沿电位都相同，为了使这个假设成立，我们要求激励边沿的尺寸小于波长的1/10。

Momentum端口尺寸需满足的条件（来源：ADS帮助文档）

Momentum的一大优势是与ADS结合的很紧密，如果统一采用ADS平台进行电路和版图设计，那么将会非常方便。Momentum支持电磁场与电路之间的联合仿真，在电路中对无源元件尺寸修改后，还能自动更新到版图中，自动完成新版图的电磁场仿真。可问题是，ADS在集成电路版图设计方面远不如Cadence和Synopsys平台流行，采用Cadence和Synopsys平台的用户还是需要在多个软件平台中倒来倒去，降低了其方便性。

我博士期间做毫米波电路设计时，都是用ADS做电路和系统仿真、HFSS做电磁场仿真、Cadence画版图、Calibre做DRC、LVS和参数提取，需要不停的在这些软件中导数据，有时候一不小心还会出现端口连错等现象，说起来都是泪啊。想想这些，统一平台的吸引力就体现出来了。

TIPS：
ADS的帮助文档写的非常棒，全面且详细，跟其他两个软件的帮助文档不在一个级别上。我觉得其内容不逊于多本教科书。电磁场仿真的部分也是这样。而且ADS提供了很多实例以及设计指导，选择合适的例子，把里面的待测件换成自己的电路，会起到事半功倍的效果。想当初我最开始做功率放大器设计时就是从ADS的设计指导中找的设计流程。刚接触serdes仿真时，我也是详细研究了ADS中的例子。

Momentum支持的代工厂非常多，在其网页上可以找到，这里不一一列出了。

EMX

EMX是Integrand公司旗下的电磁场仿真工具。Integrand公司由贝尔实验室的技术人员在2003年创办，是电磁场仿真工具领域的后起之秀。EMX与Momentum类似，采用2.5维矩量法进行求解，因而只适用于层状结构。在仿真时，EMX会对模型进行如下的假设：所有的介质层在x-y平面内无限大；模型最底层有无限大的理想金属地平面；顶层介质（一般为空气）在Z轴向上无限延伸；不同层的金属可通过电导率一定的通孔连接。我们一般常见的片上无源器件，如传输线，电感，变压器，电容等，都能够满足EMX的假设。但是对于bonding线、BGA封装等非层状结构以及横截面非直线的金属结构，EMX就无能为力了。

EMX最近在业界很流行，我知道有好几家设计公司，都选择了EMX来做电磁场仿真，似乎口碑不错。在一个已经有包括功能强大的业界标杆HFSS、采用类似算法的Momentum、IE3D、Sonnet以及同为后起之秀的Helic等众多商用电磁场仿真工具的竞争市场，EMX作为后来者，取得这样的成绩令人惊叹。

我觉得这与其自我定位是分不开的。适用范围上，它不如HFSS以及将有限元分析也集成在内的momentum；仿真结果准确度上，我也不认为它比其他软件能有显著的提高；仿真速度上，一方面对于单个电感变压器等简单器件，大家都能在几分钟或几十分钟解决战斗，另一方面对于频率较低的复杂结构，ANSYS有SIwave和HFSS 3D Layout, Momentum有基于quasi-static的Momentum RF，这些都能够显著提高仿真速度。

EMX显著胜于其他几款软件的是其易用性。在其他软件想把自己做成万能平台时，EMX却把自己打造成Cadence里的一个完美插件，将片上无源器件仿真这一块做到极致。EMX甚至没有自己的模型编辑界面，用户直接在Cadence版图界面的菜单下启动EMX，EMX自己根据代工厂提供的工艺文件在背后生成模型，完成通孔合并等化简操作，用户完全不需要为之操心，完全从HFSS的那些繁琐步骤里解放出来。

EMX也尽量使自己的菜单变的简洁，总共只有两级菜单，对于常规仿真，仅仅需要设置MESH尺寸，仿真频率和端口名称即可。EMX还将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、打印电流分布等功能。这也进一步简化了它的菜单。用户也无需考虑端口的参考电位，EMX默认选取结构底部的无限金属平面作为参考。

TIPS:
对于电感、传输线、变压器仿真时，EMX的横向MESH尺寸需设置为小于线宽的1/3，纵向尺寸保持默认即可。这点我问过EMX工程师，他说EMX会自己处理纵向MESH尺寸。大家可以设置不同的mesh尺进行仿真，看结果的收敛情况。

EMX会自动识别版图中的LABEL，并将离其最近的金属边缘设置为激励端口。LABEL并不需要与金属接触。仿真前最好检查一下是否EMX是否选择了正确的金属边缘。

EMX除了在易用性方面做出上面的努力之外，还有两个很独特的功能：根据电磁场仿真的S参数，选择一种预设的集总参数模型，自动拟合出参数；提供可变参数的模型。这一点之前我在ADS中也可以做到，自己画结构、设置参数、设置范围约束、设置目标、跑一个优化，最终得到集总参数模型。从描述即可看出这是个很费事的过程。而EMX为我们一键解决了这个问题！

对于一个小公司来说，这真是非常聪明的策略。小公司精力和资源都极其有限，与成熟企业拼全面性是不可能赢的。与其追求全面，不如先满足大家百分九十的需求，把节省下来的精力和资源花在跟代工厂建立联系、优化用户体验等方面，从易用性方面打造其核心价值。你说最后的参数拟合有多难吗？我不觉得，但是EMX额外做了这一步，对用户来说就方便了很多。从商业的角度，小公司也只有集中精力和资源才可能有价格优势。

目前EMX支持TSMC、GLOBALFOUNDRY、UMC和IBM，情况甚至好于HFSS。对于TSMC的最新工艺，我确定EMX支持到16FFC工艺，我做过这个工艺的仿真。据说EMX也接触到最新的7nm的模型（这点不是很确定）。与代工厂建立联系这一点也尤为重要。据EMX的客户经理讲，TSMC在制造芯片时，会根据金属图案对线宽做调整，在版图里画一条50nm的金属线，最终生产出来不一定是50nm。如果电磁场仿真工具想得到准确的结果，就必须把这些因素考虑在内，而不与代工厂建立良好联系，是得不到这些详细信息的。

TIPS：
据EMX客户经理讲，通过客户们这些年流片验证，EMX对电感的仿真精度已经非常有信心。但是，插指电容的仿真并不像电感仿真那么容易。一方面，金属线的边缘电容本身就很难算准，另一方面，TSMC会对MOM电容的版图做很多后期调整。因此他建议，在需要精确的电容量时，最好使用TSMC提供的模型，电磁场仿真工具或者反提工具可做为参考。如果是高频电容，可以考虑使用平板电容而不是插指电容。

[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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