Автоматизация электронного проектирования

Программное обеспечение для проектирования электронных систем

Автоматизация электронного проектирования ( EDA ), также называемая электронным компьютерным проектированием ( ECAD ), ^[1] представляет собой категорию программных средств для проектирования электронных систем, таких как интегральные схемы и печатные платы . Средства работают вместе в потоке проектирования , который проектировщики микросхем используют для проектирования и анализа целых полупроводниковых микросхем. Поскольку современная полупроводниковая микросхема может иметь миллиарды компонентов, средства EDA необходимы для их проектирования; в этой статье, в частности, описывается EDA конкретно в отношении интегральных схем (ИС).

История

Ранние дни

Самая ранняя автоматизация электронного проектирования приписывается IBM , которая разработала документацию для компьютеров серии 700 в 1950-х годах. ^[2]

До развития EDA интегральные схемы проектировались и вручную компоновались. ^[3] Некоторые передовые мастерские использовали геометрическое программное обеспечение для создания лент для фотоплоттера Gerber , отвечающего за создание монохромного изображения экспозиции, но даже они копировали цифровые записи механически нарисованных компонентов. Процесс был принципиально графическим, с переводом из электроники в графику, выполняемым вручную; самой известной компанией той эпохи была Calma , чей формат GDSII используется и сегодня. К середине 1970-х годов разработчики начали автоматизировать проектирование схем в дополнение к черчению, и были разработаны первые инструменты размещения и маршрутизации ; как только это произошло, труды Конференции по автоматизации проектирования каталогизировали большую часть разработок того времени. ^[3]

Следующая эра началась после публикации «Введения в системы СБИС » Карвера Мида и Линн Конвей в 1980 году; ^[4] считалось стандартным учебником по проектированию микросхем. ^[5] Результатом стало увеличение сложности микросхем, которые можно было спроектировать, с улучшенным доступом к инструментам проверки дизайна , которые использовали логическое моделирование . Микросхемы было легче компоновать, и они с большей вероятностью функционировали правильно, поскольку их конструкции можно было более тщательно смоделировать до создания. Хотя языки и инструменты развивались, этот общий подход указания желаемого поведения на текстовом языке программирования и предоставления инструментам возможности вывести детальный физический дизайн остается основой проектирования цифровых ИС сегодня.

Самые ранние инструменты EDA были созданы академически. Одним из самых известных был «Berkeley VLSI Tools Tarball», набор утилит UNIX, использовавшихся для проектирования ранних систем VLSI. Широко использовались Espresso эвристический логический минимизатор ^[6] , отвечающий за снижение сложности схем, и Magic [ ^7] , платформа автоматизированного проектирования. Другим важным событием стало формирование MOSIS ^[8] , консорциума университетов и производителей, который разработал недорогой способ обучения студентов-проектировщиков микросхем путем производства реальных интегральных схем. Основная концепция заключалась в использовании надежных, недорогих, относительно низкотехнологичных процессов 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 они считали программу полезной для своего собственного долгосрочного роста.

Коммерческое рождение

1981 год ознаменовал начало EDA как отрасли. В течение многих лет крупные электронные компании, такие как Hewlett-Packard , Tektronix и Intel , занимались EDA внутри компании, а менеджеры и разработчики начали выделяться из этих компаний, чтобы сосредоточиться на EDA как на бизнесе. Daisy Systems , Mentor Graphics и Valid Logic Systems были основаны примерно в это же время и вместе именовались DMV. В 1981 году Министерство обороны США также начало финансировать VHDL как язык описания оборудования. В течение нескольких лет появилось много компаний, специализирующихся на EDA, каждая из которых имела немного другой акцент.

Первая выставка EDA прошла на Design Automation Conference в 1984 году, а в 1986 году Verilog , другой популярный язык проектирования высокого уровня, был впервые представлен в качестве языка описания оборудования компанией Gateway Design Automation . За этими введениями быстро последовали симуляторы, позволяющие осуществлять прямое моделирование проектов микросхем и исполняемых спецификаций. В течение нескольких лет были разработаны бэкэнды для выполнения логического синтеза .

Современные дни

Текущие цифровые потоки чрезвычайно модульны, с фронтендами, производящими стандартизированные описания дизайна, которые компилируются в вызовы единиц, похожих на ячейки, без учета их индивидуальной технологии. Ячейки реализуют логику или другие электронные функции посредством использования определенной технологии интегральных схем. Производители обычно предоставляют библиотеки компонентов для своих производственных процессов с имитационными моделями, которые соответствуют стандартным инструментам имитации.

Большинство аналоговых схем по-прежнему проектируются вручную, что требует специальных знаний, которые являются уникальными для аналогового проектирования (например, сопоставление концепций). ^[9] Следовательно, аналоговые инструменты EDA гораздо менее модульны, поскольку требуют гораздо больше функций, они сильнее взаимодействуют, а компоненты, в целом, менее идеальны.

Значение EDA для электроники быстро возросло с непрерывным масштабированием полупроводниковой технологии. ^[10] Некоторые пользователи — операторы литейного производства , которые управляют предприятиями по производству полупроводников («fabs»), и дополнительные лица, ответственные за использование компаний по технологическому проектированию и обслуживанию, которые используют программное обеспечение EDA для оценки входящего проекта на предмет готовности к производству. Инструменты EDA также используются для программирования функциональности проекта в ПЛИС или программируемых пользователем вентильных матрицах, настраиваемых проектах интегральных схем.

Фокус на программном обеспечении

Дизайн

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

• Высокоуровневый синтез (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 проекта RTL (например, написанного на Verilog или VHDL) в дискретный список соединений или представление логических вентилей.
• Схемный захват – для стандартных ячеек цифровой, аналоговой, RF-подобной Capture CIS в Orcad от Cadence и ISIS в Proteus. ^{[ требуется разъяснение ]}
• Макет – обычно макет на основе схем , например, макет в Orcad от Cadence, ARES в Proteus

Моделирование

• Моделирование транзистора – низкоуровневое моделирование поведения схемы/макета транзистора, точное на уровне устройства.
• Логическое моделирование – цифровое моделирование поведения RTL или списка вентильных цепей ( логическое значение 0/1), точное на логическом уровне.
• Поведенческое моделирование – высокоуровневое моделирование архитектурной операции проекта, точное на уровне цикла или интерфейса.
• Аппаратная эмуляция – использование специального оборудования для эмуляции логики предлагаемого проекта. Иногда может быть подключена к системе вместо еще не построенного чипа; это называется внутрисхемной эмуляцией .
• Технология САПР моделирует и анализирует базовую технологию процесса. Электрические свойства устройств выводятся непосредственно из физики устройства

Программа для захвата схем

Анализ и проверка

• Функциональная проверка : гарантирует, что логическая конструкция соответствует спецификациям и правильно выполняет задачи. 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 доменов синхронизации (проверка CDC): похоже на линтинг , но эти проверки/инструменты специализируются на обнаружении и сообщении о потенциальных проблемах, таких как потеря данных , метастабильность из-за использования нескольких доменов синхронизации в проекте.
• Формальная верификация , также проверка модели : попытки доказать математическими методами, что система обладает определенными желаемыми свойствами и что некоторые нежелательные эффекты (например, тупик ) не могут возникнуть.
• Проверка эквивалентности : алгоритмическое сравнение RTL -описания микросхемы и синтезированного списка цепей вентилей для обеспечения функциональной эквивалентности на логическом уровне.
• Статический временной анализ : анализ временных характеристик схемы независимо от входов, что позволяет найти наихудший случай среди всех возможных входов.
• Извлечение макета : начиная с предлагаемого макета, вычислить (приблизительные) электрические характеристики каждого провода и устройства. Часто используется в сочетании со статическим временным анализом выше для оценки производительности готового чипа.
• Решатели электромагнитного поля , или просто решатели поля , решают уравнения Максвелла напрямую для случаев, представляющих интерес в проектировании ИС и печатных плат. Они известны тем, что работают медленнее, но точнее, чем извлечение топологии выше.
• Физическая проверка (PV): проверка того, является ли конструкция физически технологичной и что полученные микросхемы не будут иметь 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.
  • Чиповая отделка , которая включает в себя индивидуальные обозначения и структуры для улучшения технологичности макета. Примерами последних являются уплотнительное кольцо и структуры наполнителя. ^[13]
  • Изготовление макета 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 конечной фотомаски . Сюда также входит оптическая коррекция близости (OPC) или технология обратной литографии (ILT) — предварительная компенсация эффектов дифракции и интерференции, возникающих позже, когда чип изготавливается с использованием этой маски.
  • Генерация маски – генерация плоского изображения маски из иерархического проекта.
  • Автоматическая генерация тестовых шаблонов или ATPG – систематическая генерация данных шаблонов для проверки как можно большего количества логических вентилей и других компонентов.
  • Встроенное самотестирование или BIST – установка автономных тест-контроллеров для автоматического тестирования логики или структуры памяти в проекте.

Функциональная безопасность

• Анализ функциональной безопасности , систематический расчет показателей отказов во времени (FIT) и показателей диагностического покрытия для проектов с целью соблюдения требований соответствия для желаемых уровней полноты безопасности.
• Синтез функциональной безопасности, добавление улучшений надежности к структурированным элементам (модулям, ОЗУ, ПЗУ, файлам регистров, FIFO) для улучшения обнаружения неисправностей/устойчивости к отказам. Это включает (не ограничиваясь) добавление кодов обнаружения ошибок и/или исправления (Хэмминг), избыточную логику для обнаружения неисправностей и устойчивости к отказам (дубликат/тройной дубликат) и проверки протоколов (четность интерфейса, выравнивание адресов, подсчет ударов)
• Проверка функциональной безопасности, проведение кампании по выявлению неисправностей, включая внесение неисправностей в конструкцию и проверку того, что механизм безопасности соответствующим образом реагирует на неисправности, которые считаются охваченными.

Компоновка печатной платы и схема для проектирования разъема

Компании

Текущий

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

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

Несуществующий

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

• 2,33 млрд долларов – Mentor Graphics ; Siemens приобрела Mentor в 2017 году и переименовала в Siemens EDA в 2021 году ^{[20] [21]}
• 507 миллионов долларов – Magma Design Automation ; Synopsys приобрела Magma в феврале 2012 года ^{[22] [23]}
• 6,44 млрд тайваньских долларов – SpringSoft ; Synopsys приобрела SpringSoft в августе 2012 г.

Приобретения

Многие компании EDA приобретают небольшие компании с программным обеспечением или другими технологиями, которые можно адаптировать к их основному бизнесу. ^[24] Большинство лидеров рынка являются объединениями многих небольших компаний, и эта тенденция поддерживается тенденцией компаний-разработчиков программного обеспечения разрабатывать инструменты как аксессуары, которые естественным образом вписываются в набор программ более крупного поставщика по цифровым схемам ; многие новые инструменты включают аналоговое проектирование 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 Южном Тихоокеанском регионе
• Симпозиумы по технологиям и схемам СБИС

Смотрите также

• Портал электроники

• Автоматизированное проектирование (САПР)
• Проектирование схем
• база данных EDA
• Основы и тенденции в области автоматизации проектирования электронных устройств
• Signoff (автоматизация электронного проектирования)
• Сравнение программного обеспечения EDA
• Платформенная разработка
• Компилятор кремния

Ссылки

1. "About the EDA Industry". Electronic Design Automation Consortium. Архивировано из оригинала 2 августа 2015 г. Получено 29 июля 2015 г.
2. "1966: Разработаны средства автоматизированного проектирования для ИС". Computer History Museum . Получено 1 января 2023 г. .
3. "EDA (Electronic Design Automation) - Where Electronics Begins". Embed Journal . 25 мая 2013 г. Получено 1 января 2023 г.
4. Мид, Карвер; Конвей, Линн. Введение в проектирование СБИС . Эддисон-Уэсли.
5. "Carver Mead Awarded Kyoto Prize by Inamori Foundation". Caltech . 17 июня 2022 г. Получено 1 января 2023 г.
6. Брайтон, Роберт К., Гэри Д. Хачтель, Курт МакМаллен и Альберто Санджованни-Винчентелли (1984). Алгоритмы минимизации логики 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. Майо, Уолтер С. Скотт и Джордж С. Тейлор (1985). «Волшебная система компоновки СБИС». IEEE Design & Test of Computers . 2 (1): 19–30.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
8. Томович, Кристин (1988). «MOSIS-A gateway to silicon». Журнал IEEE Circuits and Devices . 4 (2): 22–23.
9. J. Lienig, J. Scheible (2020). "Глава 6: Специальные методы компоновки для проектирования аналоговых ИС". Основы проектирования компоновки электронных схем. Springer. стр. 213–256. doi :10.1007/978-3-030-39284-0. ISBN 978-3-030-39284-0. S2CID  215840278.
10. Лаваньо, Мартин и Шеффер (2006). Электронное проектирование автоматизации для интегральных схем Справочник . Тейлор и Фрэнсис. ISBN 0849330963.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
11. "Функциональная проверка". Semiconductor Engineering . 17 марта 2017 г. Получено 10 апреля 2023 г.
12. BTV RTL Linting. Получено 2 января 2023 г.
13. J. Lienig, J. Scheible (2020). "Глава 3.3: Данные маски: Постобработка макета". Основы проектирования макетов электронных схем. Springer. стр. 102–110. doi :10.1007/978-3-030-39284-0. ISBN 978-3-030-39284-0. S2CID  215840278.
14. "Synopsys, Inc. (SNPS) Stock Price & News - Google Finance". www.google.com . Получено 23 марта 2023 г. .
15. "Cadence Design Systems Inc (CDNS) Stock Price & News - Google Finance". www.google.com . Получено 23 марта 2023 г. .
16. "ANSYS, Inc. (ANSS) Stock Price & News". Google Finance . Получено 4 декабря 2023 г. .
17. "Цена акций и новости Altium Limited (ALU) - Google Finance". www.google.com . Получено 23 марта 2023 г. .
18. "Zuken Inc (6947) Цена акций и новости - Google Finance". www.google.com . Получено 23 марта 2023 г. .
19. Сравнение компаний — Google Finance. Google.com. Получено 10 августа 2013 г.
20. "Siemens приобретает Mentor Graphics за 4,5 миллиарда долларов, изучает подключенные устройства, строит расширение". ZDNET . Получено 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». EETimes. Архивировано из оригинала 25 октября 2012 г. Получено 17 июля 2012 г.
23. «Synopsys приобретает Magma Design Automation».
24. Кирти Сикри Десаи (2006). «Инновации EDA через слияния и поглощения». EDA Cafe . Получено 23 марта 2010 г.
25. "Semi Wiki:EDA Mergers and Acquisitions Wiki". SemiWiki.com . 16 января 2011 г. Архивировано из оригинала 3 апреля 2019 г. Получено 3 апреля 2019 г.

Примечания

• http://www.staticfreesoft.com/documentsTextbook.html Компьютерные средства для проектирования СБИС Стивена М. Рубина
• Основы проектирования топологии электронных схем , Лиениг, Шайбле, Springer, doi : 10.1007/978-3-030-39284-0 ISBN 978-3-030-39284-0 , 2020 
• Физическое проектирование СБИС: от разбиения графа до временного закрытия , Кан, Лиениг, Марков и Ху, doi : 10.1007/978-3-030-96415-3 ISBN 978-3-030-96414-6 , 2022 
• Справочник по автоматизации проектирования электронных интегральных схем , автор Лаваньо, Мартин и Шеффер, ISBN 0-8493-3096-3 , 2006 
• Справочник по автоматизации проектирования электронных устройств , автор Дирк Янсен и др., Kluwer Academic Publishers, ISBN 1-4020-7502-2 , 2003, также доступен на немецком языке ISBN 3-446-21288-4 (2005)  
• Комбинаторные алгоритмы для компоновки интегральных схем , Томас Ленгауэр, ISBN 3-519-02110-2 , Teubner Verlag, 1997.