十年前，芯片設計業才剛開始嘗試在矽襯底上設計毫米波電路。那時候大傢一般認為隻有毫米波電路才需要使用到電磁場仿真工具，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，比如臺積電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瞭，需要自己去驗證。

最近幾年發現，電磁場仿真越來越成為射頻電路設計人的必備技能之一。

電磁場仿真工具使用的范圍越來越廣，不僅是高頻，在幾GHz的射頻范圍內也被大量使用到。如果不掌握電磁場仿真工具，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瞭。隨著電路速度變快、封裝變得復雜，現在連電路板和封裝都需要使用電磁場仿真工具驗證，像Ansys就出瞭一套專門針對電路板和封裝的電磁場仿真工具-SIwave。

商用的電磁場仿真工具有非常多種，包括Ansys出的HFSS、Keysight公司的Momentum（集成在ADS軟件之中）、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）盡管不同的商用電磁場仿真工具采用的算法各不相同，但是我們應該相信：對於片上電感等常見結構，在仿真器設置正確的情況下，各個仿真工具應該能得到相似的結果。如果對仿真結果有疑問，一個簡單的驗證方法是：使用不同原理的兩種電磁場仿真工具對同一模型進行仿真，看結果是否接近。如果結果相差較遠，則需要對仿真設置進行仔細檢查。

不同電磁場仿真工具的結果對比[1] （以後我會針對本文的三種軟件做仿真對比）

2）主流的電磁場仿真工具都已經可以支持不止一種算法。在包含的算法層面，不同的電磁場仿真工具可能會越來越趨同。多數仿真工具都希望把自己的軟件做成一個一站式平臺，讓用戶在平臺中完成各種處理，不需要在不同的工具中倒來倒去，增加用戶黏性。

比如，Ansys旗下除瞭通用型的采用三維有限元分析(FEM)的HFSS，同時也有采用2.5維矩量法(MoM)的SIwave和Ansys Designer，以及同時集成瞭HFSS仿真和PlanarEM仿真和快速Mesh的HFSS 3D layout。用戶可根據仿真規模、頻率范圍、精度要求來選擇相應工具。而ADS的Momentum最早采用2.5D矩量法，適用於層狀結構的仿真。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）算法的EMPro也集成在內，從而支持任意3D結構的仿真。

HFSS

HFSS是老牌電磁場仿真軟件公司Ansoft（2008年與Ansys合並）旗下的經典軟件。最早由卡內基梅隆大學的Zoltan Cendes教授和他的學生開發，他們成立瞭Ansoft公司，從1989年開始出售HFSS軟件，是世界上第一個商業化的3D電磁場仿真軟件。經過多年發展，HFSS已成為電磁場仿真工具業界標桿。HFSS采用3D有限元分析方法，可以仿真任意的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、接口設計、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仿真做單獨優化，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。

相比於其他兩種軟件，HFSS在添加激勵上靈活性最大，支持波端口與集中端口。但是，靈活性導致的結果是，仿真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同時也是這三個軟件之中唯一必須明確指定端口的參考電位（reference）的一個。這一點對於片上電感仿真尤其重要，涉及到電流回流（return current）的問題。我以後可能專門講講我對HFSS的激勵添加與電流回流的理解。

據我的小規模采樣，在高校裡大傢更多的采用HFSS進行電磁場仿真。這並非偶然，HFSS本身功能強大、通用性強，可對任意3D結構進行仿真，涵蓋瞭芯片設計所需電磁場仿真的方方面面，很適合用來研究一些新型無源器件結構。而HFSS設置復雜、仿真較慢的缺點在高校則不成為問題。高校的研究一般芯片尺寸較小，也非大規模重復勞動，設計效率並非其關註的重點。相比於想創新點的時間，HFSS設置和仿真驗證的時間可以忽略。

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HFSS 3D Layout與SIwave結果比較

HFSS作為全波3D電磁場仿真軟件的業界標桿，卻似乎一直對芯片設計這一領域不夠重視，很少針對芯片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絡IR Drop和可靠性的軟件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。雖然是專業軟件，但這用戶體驗也太脫離主流趨勢瞭。在我看來，這些腳本很容易集成在軟件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四傢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。

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TSMC支持的軟件平臺（2008）[2]

Momentum

Momentum現在混合信號與系統仿真軟件ADS（Advanced Design System）中的一部分。ADS軟件現屬於是德科技（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采用2.5維的矩量法對電磁場求解，隻適用於層狀結構。但是，在現在的版本中，有限元分析和有限時域差分算法也集成在Momentum之中，從而大大的擴展瞭其適用范圍。

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。

Momentum端口尺寸需滿足的條件（來源：ADS幫助文檔）

Momentum的一大優勢是與ADS結合的很緊密，如果統一采用ADS平臺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仿真，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仿真。可問題是，ADS在集成電路版圖設計方面遠不如Cadence和Synopsys平臺流行，采用Cadence和Synopsys平臺的用戶還是需要在多個軟件平臺中倒來倒去，降低瞭其方便性。

我博士期間做毫米波電路設計時，都是用ADS做電路和系統仿真、HFSS做電磁場仿真、Cadence畫版圖、Calibre做DRC、LVS和參數提取，需要不停的在這些軟件中導數據，有時候一不小心還會出現端口連錯等現象，說起來都是淚啊。想想這些，統一平臺的吸引力就體現出來瞭。

Momentum支持的代工廠非常多，在其網頁上可以找到，這裡不一一列出瞭。

EMX

EMX是Integrand公司旗下的電磁場仿真工具。Integrand公司由貝爾實驗室的技術人員在2003年創辦，是電磁場仿真工具領域的後起之秀。EMX與Momentum類似，采用2.5維矩量法進行求解，因而隻適用於層狀結構。在仿真時，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就無能為力瞭。

EMX最近在業界很流行，我知道有好幾傢設計公司，都選擇瞭EMX來做電磁場仿真，似乎口碑不錯。在一個已經有包括功能強大的業界標桿HFSS、采用類似算法的Momentum、IE3D、Sonnet以及同為後起之秀的Helic等眾多商用電磁場仿真工具的競爭市場，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。適用范圍上，它不如HFSS以及將有限元分析也集成在內的momentum；仿真結果準確度上，我也不認為它比其他軟件能有顯著的提高；仿真速度上，一方面對於單個電感變壓器等簡單器件，大傢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復雜結構，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仿真速度。

EMX顯著勝於其他幾款軟件的是其易用性。在其他軟件想把自己做成萬能平臺時，EMX卻把自己打造成Cadence裡的一個完美插件，將片上無源器件仿真這一塊做到極致。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，完成通孔合並等化簡操作，用戶完全不需要為之操心，完全從HFSS的那些繁瑣步驟裡解放出來。

EMX也盡量使自己的菜單變的簡潔，總共隻有兩級菜單，對於常規仿真，僅僅需要設置MESH尺寸，仿真頻率和端口名稱即可。EMX還將一些不常用的功能放在瞭文本命令裡，比如是否包含Dummy填充物、打印電流分佈等功能。這也進一步簡化瞭它的菜單。用戶也無需考慮端口的參考電位，EMX默認選取結構底部的無限金屬平面作為參考。

EMX除瞭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：根據電磁場仿真的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、設置范圍約束、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為我們一鍵解決瞭這個問題！

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，不如先滿足大傢百分九十的需求，把節省下來的精力和資源花在跟代工廠建立聯系、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額外做瞭這一步，對用戶來說就方便瞭很多。從商業的角度，小公司也隻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，我做過這個工藝的仿真。據說EMX也接觸到最新的7nm的模型（這點不是很確定）。與代工廠建立聯系這一點也尤為重要。據EMX的客戶經理講，TSMC在制造芯片時，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。如果電磁場仿真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系，是得不到這些詳細信息的。

[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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