Building blocks for fast circuit simulation

Mikko Honkala

Building blocks for fast circuit simulation

Julkaisun otsikon käännös: Nopean piirisimuloinnin rakennuspalikoita

Mikko Honkala

Tutkimustuotos: Doctoral Thesis › Collection of Articles

Abstrakti

Nykyaikaiset elektroniikkapiirit ovat tyypillisesti isoja, tuhansien transistorien kokonaisuuksia. Suunnitteluprosessin aikana niiden toiminta pitää tarkastaa laskennallisesti haastavien simulaatioiden avulla. Näin ollen nopeille ja tarkoille simulaatiotyökaluille on tarvetta. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan neljää erilaista lähestymistapaa numeeristen piirisimulaatioiden nopeuttamiseksi. Ensimmäisessä lähestymistavassa tutkitaan tehokkaita iteraatiomenetelmiä epälineaaristen piiriyhtälöiden ratkaisemiseksi. Newton-Raphson-menetelmä (NR) on yleisesti käytetty iteraatiomenetelmä epälineaaristen tasavirtapiiriyhtälöiden ratkaisemiseksi. Sen huono puoli on globaalien suppenemisominaisuuksien puute. Tässä väitöskirjassa esitellään muutamia uusia iteraatiomenetelmiä tasavirta-analyysin suppenemisen parantamiseksi. Toisessa lähestymistavassa piirisimulointia nopeutetaan rinnakkaislaskennan avulla. Väitöskirjassa käsitellään harmoninen balanssi -menetelmän (HB) rinnakkaistaminen säikeiden avulla. Lisäksi esitellään rinnakkaislaskentaan soveltuva monitasoinen NR-menetelmä, jossa on erityisesti otettu huomioon suppenemisen avustaminen. Kolmas lähestymistapa keskittyy lineaaristen yhtälöryhmien ratkaisemisessa käytettyjen iteraatiomenetelmien pohjustimiin. HB-yhtälöiden kanssa käytetään tavallisesti taajuusalueen pohjustimia, mutta tässä väitöskirjassa esitetään, miten taajuusalueen pohjustimet voidaan yhdistää aika-alueen pohjustimien kanssa, jotta saadaan kummankin hyvät ominaisuudet käyttöön. Neljännessä lähestymistavassa käytetään malliredusointia. Sen ideana on redusoida isoa piirimallia pienemmäksi siten, että tarkkuus kuitenkin säilyy riittävänä. Tässä väitöskirjassa keskitytään lineaaristen piirien malliredusointiin ja esitellään piirijakoon perustuvia menetelmiä sekä uusi globaaliin approksimaatioon perustuva menetelmä.

Julkaisun otsikon käännös	Nopean piirisimuloinnin rakennuspalikoita
Alkuperäiskieli	Englanti
Pätevyys	Tohtorintutkinto
Myöntävä instituutio	Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja	Valtonen, Martti, Vastuuprofessori Roos, Janne, Ohjaaja
Kustantaja	Aalto University
Painoksen ISBN	978-952-60-4922-9
Sähköinen ISBN	978-952-60-4923-6
Tila	Julkaistu - 2012
OKM-julkaisutyyppi	G5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

Piirisimulointi
numeerinen analyysi
rinnakkaislaskenta
iteratiiviset menetelmät
malliredusointi
pohjustimetnaeos
nulla

Pääsy asiakirjaan

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-4923-6

Siteeraa tätä

@phdthesis{6c4c56502f82488886c57cbb8ffd8562,

title = "Building blocks for fast circuit simulation",

abstract = "Modern electronic circuits are typically large, consisting of thousands of transistors and othercomponents. During the design process, there is a need to perform computationally demandingnumerical simulations to verify the functionality of the circuit. Thus, the need for fast andaccurate circuit simulation tools is obvious. Four approaches to improve the speed and the convergence of the numerical circuitsimulation are presented.The first approach utilizes efficient iteration methods for nonlinear DC analysis. Newton–Raphson (NR) iteration is the most used nonliner iteration method for nonlinearcircuit equations, but it lacks good global convergence properties. Some new variants ofnonlinear iteration methods are proposed to improve the convergence of DC analysis. In the second approach, the computing time is reduced by using parallel processing.Parallelization of harmonic balance (HB) analysis using multithreads is studied. Also, themodified multilevel NR method that has improved convergence properties is presented. The third approach concentrates on improving the convergence of iterative solvers for linearsystems using preconditioners. The emphasis is in the preconditioning of Jacobians of the HBmethod. It is shown how to use time-domain preconditioners with frequency-domainpreconditioners in order to benefit from both. The fourth approach to speed up the circuit simulation is to use model-order reduction(MOR), where the idea is to approximate complex circuit models with simpler ones. This thesisconcentrates on MOR methods for linear circuits or the linear parts of nonlinear circuits. Efficient partitioning-based MOR methods and a new global approach to projection-basedMOR are proposed.",

keywords = "circuit simulation, numerical analysis, parallel processing, iterative methods, model-order reduction, preconditioners, Piirisimulointi, numeerinen analyysi, rinnakkaislaskenta, iteratiiviset menetelm{\"a}t, malliredusointi, pohjustimetnaeos, nulla, circuit simulation, numerical analysis, parallel processing, iterative methods, model-order reduction, preconditioners",

author = "Mikko Honkala",

year = "2012",

language = "English",

isbn = "978-952-60-4922-9",

series = "Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS",

publisher = "Aalto University",

number = "174",

address = "Finland",

school = "Aalto University",

}

TY - BOOK

T1 - Building blocks for fast circuit simulation

AU - Honkala, Mikko

PY - 2012

Y1 - 2012

N2 - Modern electronic circuits are typically large, consisting of thousands of transistors and othercomponents. During the design process, there is a need to perform computationally demandingnumerical simulations to verify the functionality of the circuit. Thus, the need for fast andaccurate circuit simulation tools is obvious. Four approaches to improve the speed and the convergence of the numerical circuitsimulation are presented.The first approach utilizes efficient iteration methods for nonlinear DC analysis. Newton–Raphson (NR) iteration is the most used nonliner iteration method for nonlinearcircuit equations, but it lacks good global convergence properties. Some new variants ofnonlinear iteration methods are proposed to improve the convergence of DC analysis. In the second approach, the computing time is reduced by using parallel processing.Parallelization of harmonic balance (HB) analysis using multithreads is studied. Also, themodified multilevel NR method that has improved convergence properties is presented. The third approach concentrates on improving the convergence of iterative solvers for linearsystems using preconditioners. The emphasis is in the preconditioning of Jacobians of the HBmethod. It is shown how to use time-domain preconditioners with frequency-domainpreconditioners in order to benefit from both. The fourth approach to speed up the circuit simulation is to use model-order reduction(MOR), where the idea is to approximate complex circuit models with simpler ones. This thesisconcentrates on MOR methods for linear circuits or the linear parts of nonlinear circuits. Efficient partitioning-based MOR methods and a new global approach to projection-basedMOR are proposed.

AB - Modern electronic circuits are typically large, consisting of thousands of transistors and othercomponents. During the design process, there is a need to perform computationally demandingnumerical simulations to verify the functionality of the circuit. Thus, the need for fast andaccurate circuit simulation tools is obvious. Four approaches to improve the speed and the convergence of the numerical circuitsimulation are presented.The first approach utilizes efficient iteration methods for nonlinear DC analysis. Newton–Raphson (NR) iteration is the most used nonliner iteration method for nonlinearcircuit equations, but it lacks good global convergence properties. Some new variants ofnonlinear iteration methods are proposed to improve the convergence of DC analysis. In the second approach, the computing time is reduced by using parallel processing.Parallelization of harmonic balance (HB) analysis using multithreads is studied. Also, themodified multilevel NR method that has improved convergence properties is presented. The third approach concentrates on improving the convergence of iterative solvers for linearsystems using preconditioners. The emphasis is in the preconditioning of Jacobians of the HBmethod. It is shown how to use time-domain preconditioners with frequency-domainpreconditioners in order to benefit from both. The fourth approach to speed up the circuit simulation is to use model-order reduction(MOR), where the idea is to approximate complex circuit models with simpler ones. This thesisconcentrates on MOR methods for linear circuits or the linear parts of nonlinear circuits. Efficient partitioning-based MOR methods and a new global approach to projection-basedMOR are proposed.

KW - circuit simulation

KW - numerical analysis

KW - parallel processing

KW - iterative methods

KW - model-order reduction

KW - preconditioners

KW - Piirisimulointi

KW - numeerinen analyysi

KW - rinnakkaislaskenta

KW - iteratiiviset menetelmät

KW - malliredusointi

KW - pohjustimetnaeos

KW - nulla

KW - circuit simulation

KW - numerical analysis

KW - parallel processing

KW - iterative methods

KW - model-order reduction

KW - preconditioners

M3 - Doctoral Thesis

SN - 978-952-60-4922-9

T3 - Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS

PB - Aalto University

ER -

Building blocks for fast circuit simulation

Abstrakti

Tutkimusalat

Pääsy asiakirjaan

Sormenjälki

Siteeraa tätä