シミュレータで使用されるモデル：ＩＢＩＳモデル

目次

• はじめに
• バッファモデルとパッケージモデル
• ＩＢＩＳモデルファイルの中身を紐解く
• 最後に
• 御参考ＵＲＬ

はじめに

「シミュレータで使用されるモデル」の第２回では、ＩＢＩＳ（Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ　Ｂｕｆｆｅｒ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ）モデルについて見て行きたいと思います。ＩＢＩＳモデルは１９９３年に「ＩＢＩＳ　Ｏｐｅｎ　Ｆｏｒｕｍ」が設立され、ＩＢＩＳ　Ｖｅｒｓｉｏｎ１．１がリリースされて以来、３０年以上の歴史があります。設立当初、既に回路シミュレーションで使用するモデルとしてＳＰＩＣＥモデルがありました。然しながら、ＳＰＩＣＥモデルは内部回路をそのまま記述する仕様であり、半導体メーカにとっては、回路情報やプロセス情報といった秘匿性の高い情報が競合他社へ漏洩することを懸念し、モデルを必要とするセットメーカとは秘密保持契約を結んだ後に提供を行う必要がありました。このため流通性が悪く、セットメーカにとっては入手までに多くの時間を要しました。また、ＳＰＩＣＥモデルは、回路規模が大きくなると解析に多大な時間を要するという問題もありました。そこで考え出されたのが、Ｉ／Ｏ部分の特性とパッケージ部分の特性を一体化して記述したＩＢＩＳモデルです。ＳＰＩＣＥモデルは受信端での波形品質だけでなく、回路の機能検証にも使用できますが、ＩＢＩＳモデルは内部回路などの情報を含まず、専ら波形品質を高速に検証することを目的として開発されました。

ＩＢＩＳは何度もバージョンアップか繰り返され、応用範囲も多岐に渡ってきていますが、このコラムではＩＢＩＳの全体像の理解を目的として、基本部分に絞って解説してみたいと思います。

バッファモデルとパッケージモデル

図１は、ＩＢＩＳの出力モデル（左側青枠内）及び入力モデル（右側青枠内）の基本構成で、それぞれ、バッファモデル（図の赤枠部分）とパッケージモデル（図の緑枠部分）に分かれています。図２の半導体の構造例では、バッファモデルは、ダイに焼き付けられた回路（Ｉ／Ｏ部分のみ）を、パッケージモデルは、ワイヤボンディング～リードフレームといった半導体内部配線部分をモデル化しています。

ＩＢＩＳモデルファイルは、テキスト形式のため、メモ帳やテキストエディタなどで中身を確認することが出来ます。（拡張子は“．ｉｂｓ”となっています）　また、ＳＩＮＴＥＣＳ社の“ＩＢＩＳ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｓｔｕｄｉｏ２”というＩＢＩＳモデルファイルの中身を確認するのに大変便利なツールが公開されています。こちらは、ＩＢＩＳモデルを作成・編集するためのツールですが、ビューアとエディタの一部の機能だけであれば無償で利用することが出来ます。セクションごとにグループ化してツリー構造で表示され、キーワードやコメントを色分けして表示してくれます。また、Ｐｕｌｌｕｐ、Ｐｕｌｌｄｏｗｎなどの特性を表すテーブルについては、テキストだけでなく、グラフ表示することができるので視認性が高まります。このコラムではこのツールを使用してＩＢＩＳモデルファイルの中身を探っていこうと思います。図３に、このツールの表示例を示しておきます。

図４は、ＩＢＩＳモデルファイルの全体像をＩＢＩＳ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｓｔｕｄｉｏ２で見たものです。青枠部で囲われている部分はヘッダ記述部と呼ばれ、ＩＢＩＳバージョンや作成日、メモ、著作権情報などが記載されます。緑枠部で囲われている部分はコンポーネント記述部と呼ばれ、パッケージモデルの情報に加え、ＩＣの各ピンとバッファモデルとが関連付けされます。最後に赤枠部で囲われている部分がバッファモデル記述部分でＩＢＩＳモデルのコア部分となっています。［Ｐｕｌｌｕｐ］、［Ｐｕｌｌｄｏｗｎ］、［ＰＯＷＥＲ　Ｃｌａｍｐ］、［ＧＮＤ　Ｃｒａｍｐ］、［Ｒｉｓｉｎｇ　Ｗａｖｅｆｏｒｍ］、［Ｆａｌｌｉｎｇ　Ｗａｖｅｆｏｒｍ］などのキーワードがあり、これらは図５のような、Ｉ－Ｖ特性、Ｖ－ｔ特性がテーブルの形式で記述されます。

図４右側ペインのテキスト表示部で行頭が「｜」で始まる緑文字の行はコメント行となっています。また、青文字［　］で括られている文字はキーワードと呼ばれています。キーワードの後にはサブパラメータや定義値が記述されます。キーワードごとにどのようなサブパラメータを持つかは予め決められています。

ＩＢＩＳモデルファイルの中身を紐解く

図６は、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社様のＳＮ７４ＡＬＶＣ１２５のＩＢＩＳモデルの例となります。ここでは、最上位階層のキーワードである、［Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ］、［Ｍｏｄｅｌ Ｓｅｌｅｃｔｏｒ］、［Ｍｏｄｅｌ］という３つのセクション（キーワード）について詳しく説明します。

［Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ］（図６の緑枠）は、パッケージモデルに関する情報、各ピンの名称と各ピンに割り当てられているモデル名またはモデルセレクタ名が記載されます。この例のように、［Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ］は１つのＩＢＩＳモデルファイルの中に複数存在する場合があります。（この例ではパッケージ違いにより４種類の［Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ］ が存在しているので、ユーザは、どのコンポーネントを使用するか（この例ではどのパッケージを使用するか）を選択する必要があります）　［Ｐａｃｋａｇｅ］キーワードに続いてパッケージの寄生成分をＬ／Ｒ／Ｃの集中定数で記載するサブパラメータ（Ｒ＿ｐｋｇ、Ｌ＿ｐｋｇ、Ｃ＿ｐｋｇ）（緑塗りの部分）があります。ここに入れられるパッケージ寄生成分は全ピン共通となっています。これは必須項目であり、ＩＢＩＳ製作者は必ず入れなければなりません。［Ｐｉｎ］キーワードに続いて各ピンに割り当てられているモデル名またはモデルセレクタ名のどちらかが記載されます。（例ではモデルセレクタ名が割り当てられています）（赤塗りの部分）　また、ピンごとのパッケージ寄生成分がＬ／Ｒ／Ｃの集中定数で記載（Ｒ＿ｐｉｎ、Ｌ＿ｐｉｎ、Ｃ＿ｐｉｎ）されている場合があります。（青塗りの部分）　この定義値はオプションとなっており、［Ｐａｃｋａｇｅ］キーワードのＲ＿ｐｋｇ、Ｌ＿ｐｋｇ、Ｃ＿ｐｋｇは全ピン共通のパッケージ寄生成分でしたが、こちらはピンごとの違いも網羅しているため、利用できる場合はこちらを利用する方が解析精度を高めることが出来ます。（ここでは触れませんが、 ［Ｄｅｆｉｎｅ　Ｐａｃｋａｇｅ　Ｍｏｄｅｌ］というキーワードにより、ピン間結合も考慮されているオプションが用意されている場合があります。また、数百ＭＨｚ～ＧＨｚ帯での通信を行うＩＣでは、ＩＢＩＳファイルとは別にＳパラメータファイルを提供している場合があります。ＩＢＩＳファイルで提供されるパッケージ寄生成分の情報は集中定数であるため、ＧＨｚ帯の解析には向きませんが、Ｓパラメータは分布定数モデルであり、高周波帯にもピン間結合にも対応出来ます。）

［Ｍｏｄｅｌ Ｓｅｌｅｃｔｏｒ］（図６のピンク枠）は、１つのピンに割り当てられるモデル候補が複数ある場合に導入されます。例えば、レジスタ設定でドライブ能力や終端抵抗値など複数の設定が可能な部品や、この例のように使用する電源電圧によってモデルが分けられている場合、などがあります。 ［Ｍｏｄｅｌ Ｓｅｌｅｃｔｏｒ］がある場合は、ユーザは用途によりどのモデルを使用するかを選択する必要があります。

［Ｍｏｄｅｌ］は、バッファモデルに関する情報が記載されます。（図１の赤枠、Ｂｕｆｆｅｒ　Ｍｏｄｅｌの部分で、パッケージ寄生成分（パッケージモデル）は含みません。）　図６の赤塗り部分を見るとバッファモデルが複数のピンで共有されているのがわかります。（このＩＣには同一のバッファが４つあり、それぞれ同じ特性であるため、１，４，１０，１３番ピン（ｘＮＯＥ）、 ２，５，９，１２番ピン（ｘＡ）、 ３，６，８，１１番ピン（ｘＹ）に、それぞれ、ＡＬＶＣ１２５＿ＮＯＥ＿＊、ＡＬＶＣ１２５＿ＩＮ＿＊、ＡＬＶＣ１２５＿ＯＵＴ＿＊、と同じモデル名が割り当てられています。

バッファモデルでは、出力ドライバの静特性として［Ｐｕｌｌｕｐ］、［Ｐｕｌｌｄｏｗｎ］キーワードが、クランプダイオードの静特性として［ＰＯＷＥＲ　Ｃｌａｍｐ］、［ＧＮＤ　Ｃｌａｍｐ］キーワードが定義されており、それぞれにＩ－Ｖ特性がテーブルの形で表されます。（図７の緑枠部分）　また、出力ドライバの動特性として［Ｒａｍｐ］キーワードや、［Ｒｉｓｉｎｇ　Ｗａｖｅｆｏｒｍ］・［Ｆａｌｌｉｎｇ　Ｗａｖｅｆｏｒｍ］キーワードが定義されています。　［Ｒａｍｐ］は必須キーワードで、立上り／立下り時の時間あたりの電圧変化量が単一の数値で表される（図７のピンク枠部分）のに対し、 ［Ｒｉｓｉｎｇ　Ｗａｖｅｆｏｒｍ］・［Ｆａｌｌｉｎｇ　Ｗａｖｅｆｏｒｍ］はオプションのキーワードであり、［Ｖ－ｔ特性］としてテーブル形式で表されます。（図７の緑枠部分）　当然、［Ｒｉｓｉｎｇ　Ｗａｖｅｆｏｒｍ］・［Ｆａｌｌｉｎｇ　Ｗａｖｅｆｏｒｍ］が存在する場合は、こちらを使用した方が、精度が良くなります。バッファモテルでは、更に、ダイ接点部分での入出力容量（ダイの端子部に存在する容量）としてＣ＿Ｃｏｍｐというサブパラメータが定義されています。（図７の青枠部分）

最後に

現在、ＳＩ解析を必要とするようなディジタルＩＣにおいては、これらを供給している殆どの半導体メーカはＩＢＩＳモテルを公開しています。２００８年８月にリリースされたＩＢＩＳバージョン５．０では、高速なＳｅｒＤｅｓ（シリアライザ／デシリアライザ）回路のシミュレーションに向けたモデルフォーマットであるＩＢＩＳ－ＡＭＩが追加され、高速ＳｅｒＤｅｓ回路に伝送線路を含めたシミュレーションを高い精度を確保しつつ、短時間で実行することが可能となりました。また同バージョンからＰｏｗｅｒ　Ａｗａｒｅ　ＩＢＩＳという電源電圧ノイズを考慮する事が可能なモデルが制定されました。これにより、ＰＤＮモデル（電源配線モデル）を用意することで、DDRメモリなど、同時に複数のデータ信号がスイッチングする際に発生する電源ノイズによる波形への影響を解析できるようになりました。　２０１５年９月にリリースされたＩＢＩＳバージョン６．１ではＩＢＩＳ－ＡＭＩがＰＡＭ４にも対応するようになりました。このように、ＩＢＩＳモデルは市場ニーズに合わせてバージョンアップが頻繁に行われており、ＳＩ解析にはなくてはならないモデルとなっています。

御参考ＵＲＬ

Ｓｉｎｔｅｃｓ社　IBIS Development Studio 2.0

https://sintecs.eu/eda/freeware-tools/ibisds/