Автоматизация электронного проектирования

Программное обеспечение для проектирования электронных систем

Автоматизация электронного проектирования ( EDA ), также называемая системой автоматизированного электронного проектирования ( ECAD ), ^[1] представляет собой категорию программных инструментов для проектирования электронных систем , таких как интегральные схемы и печатные платы . Эти инструменты работают вместе в потоке проектирования , который разработчики микросхем используют для проектирования и анализа целых полупроводниковых чипов. Поскольку современный полупроводниковый чип может состоять из миллиардов компонентов, инструменты EDA необходимы для его проектирования; в этой статье, в частности, описывается EDA конкретно применительно к интегральным схемам (ИС).

История

Первые дни

Самая ранняя автоматизация электронного проектирования принадлежит IBM с документацией по ее компьютерам серии 700 в 1950-х годах. ^[2]

До разработки EDA интегральные схемы проектировались и компоновались вручную. ^[3] Некоторые продвинутые мастерские использовали геометрическое программное обеспечение для создания лент для фотоплоттера Gerber , отвечающего за создание монохроматического экспозиционного изображения, но даже они копировали цифровые записи механически нарисованных компонентов. По сути, процесс был графическим: перевод с электроники на графику выполнялся вручную; Самой известной компанией той эпохи была Calma , чей формат GDSII используется до сих пор. К середине 1970-х годов разработчики начали автоматизировать проектирование схем в дополнение к черчению, и были разработаны первые инструменты размещения и маршрутизации ; Когда это произошло, в материалах конференции по автоматизации проектирования было каталогизировано подавляющее большинство разработок того времени. ^[3]

Следующая эра началась после публикации книги Карвера Мида и Линн Конвей «Введение в системы СБИС » в 1980 году; ^[4] считается стандартным учебником по проектированию микросхем. ^[5] Результатом стало увеличение сложности микросхем, которые можно было проектировать, с улучшенным доступом к инструментам проверки конструкции , использующим логическое моделирование . Чипы было легче размещать, и у них было больше шансов работать правильно, поскольку их конструкцию можно было более тщательно смоделировать перед созданием. Хотя языки и инструменты развивались, этот общий подход, заключающийся в определении желаемого поведения на текстовом языке программирования и предоставлении инструментам возможности получить подробный физический проект, остается основой проектирования цифровых ИС сегодня.

Самые ранние инструменты EDA были созданы академическими методами. Одним из самых известных был «Berkeley VLSI Tools Tarball», набор утилит UNIX , использовавшихся для разработки ранних систем СБИС. Широкое распространение получили эвристический логический минимайзер Espresso , ^[6] отвечающий за снижение сложности схемы, и Magic , ^[7] платформа автоматизированного проектирования. Другим важным событием стало создание MOSIS , ^[8] консорциума университетов и производителей, который разработал недорогой способ обучения студентов-разработчиков микросхем путем производства реальных интегральных схем. Основная концепция заключалась в использовании надежных, недорогих и относительно низкотехнологичных процессов изготовления ИС и упаковке большого количества проектов на пластину , при этом сохранялось несколько копий микросхем из каждого проекта. Сотрудничающие производители либо жертвовали обработанные пластины, либо продавали их по себестоимости, поскольку считали, что программа полезна для их собственного долгосрочного роста.

Коммерческое рождение

1981 год ознаменовал начало развития EDA как отрасли. В течение многих лет крупные электронные компании, такие как Hewlett-Packard , Tektronix и Intel , занимались EDA внутри страны, при этом менеджеры и разработчики начали выходить из этих компаний, чтобы сосредоточиться на EDA как на бизнесе. Daisy Systems , Mentor Graphics и Valid Logic Systems были основаны примерно в это время и вместе назывались DMV. В 1981 году Министерство обороны США дополнительно начало финансирование VHDL как языка описания аппаратного обеспечения. В течение нескольких лет появилось множество компаний, специализирующихся на EDA, каждая со своим акцентом.

Первая выставка EDA состоялась на конференции Design Automation Conference в 1984 году, а в 1986 году компания Gateway Design Automation впервые представила Verilog , еще один популярный язык проектирования высокого уровня, в качестве языка описания аппаратного обеспечения . За этими нововведениями быстро последовали симуляторы, позволяющие напрямую моделировать конструкции микросхем и выполняемые спецификации. В течение нескольких лет были разработаны серверные части для выполнения логического синтеза .

Современный день

Современные цифровые потоки чрезвычайно модульны: интерфейсы создают стандартизированные описания конструкции, которые компилируются в вызовы модулей, подобных ячейкам, безотносительно к их индивидуальной технологии. Ячейки реализуют логические или другие электронные функции посредством использования определенной технологии интегральных схем. Производители обычно предоставляют библиотеки компонентов для своих производственных процессов с имитационными моделями, подходящими для стандартных инструментов моделирования.

Большинство аналоговых схем по-прежнему проектируются вручную, что требует специальных знаний, уникальных для аналогового проектирования (например, концепции согласования). ^[9] Следовательно, аналоговые инструменты EDA гораздо менее модульны, поскольку требуется гораздо больше функций, они сильнее взаимодействуют, а компоненты, как правило, менее идеальны.

Значение EDA для электроники быстро возросло с непрерывным развитием полупроводниковых технологий. ^[10] Некоторыми пользователями являются операторы литейного производства , которые управляют предприятиями по производству полупроводников («фабриками»), а также дополнительные лица, ответственные за использование технологий, компании, оказывающие услуги по проектированию, которые используют программное обеспечение EDA для оценки поступающей конструкции на предмет готовности к производству. Инструменты EDA также используются для программирования функций проектирования в FPGA или программируемых пользователем вентильных матрицах, а также настраиваемых конструкциях интегральных схем.

Программное обеспечение фокусируется

Дизайн

Ход проектирования в первую очередь по-прежнему характеризуется несколькими основными компонентами; к ним относятся:

• Синтез высокого уровня (также известный как поведенческий синтез или алгоритмический синтез). Описание проекта высокого уровня (например, в C/C++) преобразуется в RTL или уровень передачи регистров, отвечающий за представление схемы посредством использования взаимодействий между регистрами.
• Логический синтез – перевод описания конструкции RTL (например, написанного на Verilog или VHDL) в дискретный список соединений или представление логических элементов.
• Схематический захват — для стандартных ячеек, цифровых, аналоговых, радиочастотных Capture CIS в Orcad от Cadence и ISIS в Proteus. ^{[ нужны разъяснения ]}
• Макет — обычно макет на основе схемы , например макет в Orcad от Cadence, ARES в Proteus.

Моделирование

• Моделирование транзисторов – низкоуровневое моделирование поведения схемы/схемы транзисторов с точностью на уровне устройства.
• Логическое моделирование - цифровое моделирование цифрового поведения RTL или списка соединений шлюзов ( логическое значение 0/1), с точностью на логическом уровне.
• Поведенческое моделирование – высокоуровневое моделирование архитектурной операции проекта, точное на уровне цикла или уровня интерфейса.
• Эмуляция оборудования – использование аппаратного обеспечения специального назначения для эмуляции логики предлагаемого проекта. Иногда его можно подключить к системе вместо еще не созданного чипа; это называется внутрисхемной эмуляцией .
• Технология CAD моделирует и анализирует лежащий в основе технологический процесс. Электрические свойства устройств определяются непосредственно из физики устройств.

Программа захвата схем

Анализ и проверка

• Функциональная проверка : обеспечивает соответствие логической конструкции спецификациям и правильное выполнение задач. Включает динамическую функциональную проверку посредством моделирования, эмуляции и прототипов. ^[11]
• RTL Linting для соблюдения правил кодирования, таких как синтаксис, семантика и стиль. ^[12]
• Проверка пересечения тактового домена (проверка CDC): аналогична проверке , но эти проверки/инструменты специализируются на обнаружении и сообщении о потенциальных проблемах, таких как потеря данных , метастабильность из- за использования нескольких тактовых доменов в проекте.
• Формальная проверка , а также проверка модели : попытки математическими методами доказать, что система обладает определенными желаемыми свойствами и что некоторые нежелательные эффекты (например, тупик ) не могут произойти.
• Проверка эквивалентности : алгоритмическое сравнение между RTL -описанием чипа и синтезированным списком шлюзов для обеспечения функциональной эквивалентности на логическом уровне.
• Статический временной анализ : анализ временных характеристик схемы независимым от входа способом, следовательно, поиск наихудшего случая для всех возможных входных данных.
• Извлечение макета : начиная с предложенного макета, вычислите (приблизительные) электрические характеристики каждого провода и устройства. Часто используется в сочетании со статическим временным анализом, описанным выше, для оценки производительности готового чипа.
• Решатели электромагнитного поля , или просто решатели поля , решают уравнения Максвелла напрямую для случаев, представляющих интерес при проектировании ИС и печатных плат. Они известны тем, что работают медленнее, но более точны, чем извлечение макета, приведенное выше.
• Физическая проверка , PV: проверка возможности физического изготовления конструкции и того, что полученные чипы не будут иметь каких-либо физических дефектов, препятствующих функционированию, и будут соответствовать исходным спецификациям.

Подготовка производства

• Подготовка данных маски или MDP — создание реальных литографических фотошаблонов , используемых для физического изготовления чипа.
  • Чип-доводка , включающая нестандартные обозначения и конструкции для улучшения технологичности макета. Примерами последних являются уплотнительное кольцо и наполнители. ^[13]
  • Изготовление макета прицельной сетки с тестовыми шаблонами и метками совмещения.
  • Подготовка макета к маске , которая улучшает данные макета с помощью графических операций, таких как методы повышения разрешения (RET) — методы повышения качества окончательной фотомаски . Сюда также входит оптическая коррекция близости (OPC) или технология обратной литографии (ILT) – предварительная компенсация дифракционных и интерференционных эффектов, возникающих позже, когда чип изготавливается с использованием этой маски.
  • Генерация маски — создание плоского изображения маски на основе иерархического дизайна.
  • Автоматическое создание тестовых шаблонов или ATPG — систематическое генерирование данных шаблонов для проверки как можно большего количества логических элементов и других компонентов.
  • Встроенное самотестирование или BIST — установка автономных тест-контроллеров для автоматического тестирования логики или структуры памяти в проекте.

Функциональная безопасность

• Функциональный анализ безопасности, систематический расчет частоты отказов во времени (FIT) и показателей диагностического покрытия для проектов, чтобы соответствовать требованиям соответствия для желаемых уровней полноты безопасности.
• Синтез функциональной безопасности, повышение надежности структурированных элементов (модулей, ОЗУ, ПЗУ, файлов регистров, FIFO) для улучшения обнаружения ошибок / отказоустойчивости. Это включает (не ограничиваясь этим) добавление кодов обнаружения и/или исправления ошибок (Хемминга), избыточной логики для обнаружения ошибок и отказоустойчивости (дубликат/тройной дубликат) и проверок протоколов (четность интерфейса, выравнивание адресов, подсчет тактов).
• Проверка функциональной безопасности, проведение кампании по устранению неисправностей, включая включение неисправностей в проект и проверку того, что механизм безопасности соответствующим образом реагирует на неисправности, которые считаются охватываемыми.

Компоновка печатной платы и схема конструкции разъема

Компании

Текущий

Рыночная капитализация и название компании по состоянию на март 2023 г.:

• $ 57,87 млрд ^[14] – Synopsys
• 56,68 миллиардов долларов ^[15] – Cadence Design Systems
• 24,98 миллиарда долларов ^[16] – Ansys
• 4,88 миллиарда австралийских долларов ^[17] – Altium
• 77,25 миллиардов йен ^[18] – Зукен

Несуществующий

Рыночная капитализация и название компании по состоянию на декабрь 2011 г ^{[обновлять]}.: ^[19]

• 2,33 миллиарда долларов – Mentor Graphics ; Siemens приобрела Mentor в 2017 году и была переименована в Siemens EDA в 2021 году ^{[20] [21]}
• 507 миллионов долларов – Автоматизация проектирования Magma ; Synopsys приобрела Magma в феврале 2012 года ^{[22] [23]}
• 6,44 миллиарда тайваньских долларов – SpringSoft ; Synopsys приобрела SpringSoft в августе 2012 года.

Приобретения

Многие компании EDA приобретают небольшие компании с программным обеспечением или другими технологиями, которые можно адаптировать к их основному бизнесу. ^[24] Большинство лидеров рынка представляют собой объединения множества небольших компаний, и этой тенденции способствует тенденция компаний-разработчиков программного обеспечения разрабатывать инструменты в качестве аксессуаров, которые естественным образом вписываются в набор программ для цифровых схем более крупных поставщиков ; многие новые инструменты включают в себя аналоговую конструкцию и смешанные системы. ^[25] Это происходит из-за тенденции размещать целые электронные системы на одном чипе .

Технические конференции

• Конференция по автоматизации проектирования
• Международная конференция по компьютерному проектированию
• Автоматизация проектирования и испытаний в Европе
• Конференция по автоматизации проектирования в Азии и Южно-Тихоокеанском регионе
• Симпозиумы по технологиям и схемам СБИС

Смотрите также

• Портал электроники

• Компьютерное проектирование (САПР)
• Схемотехника
• база данных ЭДА
• Основы и тенденции в автоматизации проектирования электроники
• Signoff (автоматизация электронного проектирования)
• Сравнение программного обеспечения EDA
• Платформенный дизайн
• Кремниевый компилятор

Рекомендации

1. «Об индустрии EDA». Консорциум автоматизации электронного проектирования. Архивировано из оригинала 2 августа 2015 года . Проверено 29 июля 2015 г.
2. «1966: Разработаны инструменты автоматизированного проектирования для микросхем» . Музей истории компьютеров . Проверено 1 января 2023 г.
3. «EDA (автоматизация электронного проектирования) - где начинается электроника». Вставить журнал . 25 мая 2013 года . Проверено 1 января 2023 г.
4. Мид, Карвер; Конвей, Линн. Введение в проектирование СБИС . Аддисон-Уэсли.
5. "Карвер Мид награжден Киотской премией Фонда Инамори" . Калтех . 17 июня 2022 г. Проверено 1 января 2023 г.
6. Брайтон, Роберт К., Гэри Д. Хачтел, Курт МакМаллен и Альберто Санджованни-Винсентелли (1984). Алгоритмы логической минимизации для синтеза СБИС . Том. 2. Springer Science & Business Media.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
7. Оустерхаут, Джон К., Гордон Т. Хамачи, Роберт Н. Мэйо, Уолтер С. Скотт и Джордж С. Тейлор (1985). «Волшебная система компоновки СБИС». IEEE Проектирование и тестирование компьютеров . 2 (1): 19–30.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
8. Томович, Кристина (1988). «МОСИС-ворота в кремний». Журнал IEEE «Схемы и устройства» . 4 (2): 22–23.
9. Й. Лиениг, Й. Шейбл (2020). «Глава 6: Специальные методы компоновки для проектирования аналоговых ИС». Основы топологии электронных схем. Спрингер. п. 213-256. дои : 10.1007/978-3-030-39284-0. ISBN 978-3-030-39284-0. S2CID  215840278.
10. Лаваньо, Мартин и Шеффер (2006). Справочник по автоматизации электронного проектирования интегральных схем . Тейлор и Фрэнсис. ISBN 0849330963.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
11. «Функциональная проверка». Полупроводниковая техника . 17 марта 2017 г. Проверено 10 апреля 2023 г.
12. Линтинг BTV RTL. Проверено 2 января 2023 г.
13. Й. Лиениг, Й. Шейбл (2020). «Глава 3.3: Данные маски: постобработка макета». Основы топологии электронных схем. Спрингер. п. 102-110. дои : 10.1007/978-3-030-39284-0. ISBN 978-3-030-39284-0. S2CID  215840278.
14. «Цены и новости на акции Synopsys, Inc. (SNPS) — Google Finance» . www.google.com . Проверено 23 марта 2023 г.
15. «Цены и новости акций Cadence Design Systems Inc (CDNS) — Google Finance» . www.google.com . Проверено 23 марта 2023 г.
16. «Цены и новости акций ANSYS, Inc. (ANSS)» . Гугл Финансы . Проверено 4 декабря 2023 г.
17. «Цены и новости акций Altium Limited (ALU) — Google Finance» . www.google.com . Проверено 23 марта 2023 г.
18. «Цены на акции Zuken Inc (6947) и новости — Google Finance» . www.google.com . Проверено 23 марта 2023 г.
19. Сравнение компаний — Google Finance. Google.com. Проверено 10 августа 2013 г.
20. «Siemens приобретает Mentor Graphics за 4,5 миллиарда долларов, устройство с возможностью подключения глаз, расширение здания» . ЗДНЕТ . Проверено 23 марта 2023 г.
21. Дахад, Нитин (15 декабря 2020 г.). «Наконец-то наставником станет Siemens EDA с января 2021 года». ЭЭ Таймс . Проверено 23 марта 2023 г.
22. Дилан МакГрат (30 ноября 2011 г.). «Synopsys купит Magma за 507 миллионов долларов». ЭТаймс. Архивировано из оригинала 25 октября 2012 года . Проверено 17 июля 2012 г.
23. «Синопсис для приобретения автоматизации проектирования магмы» .
24. Кирти Сикри Десаи (2006). «Инновации EDA посредством слияний и поглощений». Кафе ЭДА . Проверено 23 марта 2010 г.
25. "Полу-Вики: Вики по слияниям и поглощениям EDA" . SemiWiki.com . 16 января 2011 года. Архивировано из оригинала 3 апреля 2019 года . Проверено 3 апреля 2019 г.

Примечания

• http://www.staticfreesoft.com/documentsTextbook.html Компьютерные средства для проектирования СБИС, Стивен М. Рубин
• Основы проектирования электронных схем , Лиениг, Шайбле, Спрингер, doi : 10.1007/978-3-030-39284-0 ISBN 978-3-030-39284-0 , 2020 г. 
• Физический дизайн СБИС: от разделения графа к замыканию по времени , Канг, Лиениг, Марков и Ху, doi : 10.1007/978-90-481-9591-6 ISBN 978-90-481-9590-9 , 2011 г. 
• Справочник по автоматизации электронного проектирования для интегральных схем , Лаваньо, Мартин и Шеффер, ISBN 0-8493-3096-3 , 2006 г. 
• Справочник по автоматизации проектирования электроники , написанный Дирком Янсеном и др., Kluwer Academic Publishers, ISBN 1-4020-7502-2 , 2003 г., доступен также на немецком языке ISBN 3-446-21288-4 (2005 г.)  
• Комбинаторные алгоритмы компоновки интегральных схем , Томас Ленгауэр, ISBN 3-519-02110-2 , Teubner Verlag, 1997.