1947年Bell Lab制造出第一款晶體管,1958年德州儀器的Jack Kilby用2個晶體管構造了世界上第一款集成電路,這是集成電路IC的雛形與開端。2003年英特爾公司生產的Pentium4處理器已包含5500萬晶體管,一個512M的DRAM包含5億晶體管。IC芯片中晶體管數目的激增滿足所謂的“摩爾定律”,也就是每隔1.5年芯片上的晶體管數目翻一番。在歷史上沒有一個產業能保持這種增長速度如此久。推動IC產業迅猛發展的因素主要有兩個,一個是材料微細加工與制造技術的發展,另一個是EDA工具的大力支持。前者使IC能產能規模化,后者使設計流程自動化,從而加快產品生產率,迅速成為一個堪比汽車產業的巨大產業群。
EDA(Electronic Design Automation),即電子設計自動化,它是一種實現電子系統設計自動化的技術,是一個多學科的技術,與電子技術、微電子技術、硅加工技術等密切相關,同時它還吸收了計算機領域的大多數研究成果,以計算機軟件作為實現工具,利用計算機圖形學、數值計算技術、以及人工智能等多種學科的研究成果而開發出來的一整套電子設計CAD通用軟件工具,來幫助電子設計工程師從事電子組件產品和系統設計的綜合技術。EDA技術的出現,從某種程度上極大地解放了電子設計者的手工勞動,若沒有EDA技術的支持,要完成像一款哪怕是64M DRAM都是不可想象的。
EDA技術是伴隨着計算機、集成電路、電子系統的發展而發展起來的,一般可以分為CAD階段、CAE階段和成熟EDA階段。
1. CAD階段
20實際70年代,隨着中小規模的集成電路的開發應用,用手工繪制版圖設計印刷電路板的方法已經無法滿足設計精度和效率的要求,於是基於二維平面圖形的計算機輔助設計工具出現了,它就是第一代的EDA工具,這是EDA的初級階段,技術要點在與利用計算機輔助技術進行電路原理圖編制、PCB布局布線等。
2. CAE階段
20世紀80年代,為適應電子產品在規模上和集成度上的需要,出現了以計算機仿真和自動布局布線為核心的第二代EDA技術,即CAE(Computer Aided Engineering),計算機輔助工程設計階段。這一階段的主要特征是以模擬電子系統的邏輯、時序分析、故障仿真、自動布局布線為核心。主要的代表產品有Synopsys公司的Design Compiler、Astro,Avanti的Star-HSPICE等。這些工具的出現,能在產品制造之前就能預測產品的功能和性能,可以設計出功能滿足規格要求,又能獲得最高性能的產品,並且還能實現自動布局布線,生成版圖,大大地提高了生產率和降低出錯率,有利於IC產業的大規模產品化。
3. 成熟EDA階段
自從20世紀90年代以來,EDA的發展集中到加強自動化和智能化方向,同時致力於設計語言和高層設計理念上實現統一。EDA技術繼續發展,進入了支持高層語言描述、可進行系統級仿真和綜合技術為特征的第三代EDA技術。這一階段采用一種新的設計概念自頂而下(Top - Down)的設計程式和並行工程(Concurrent Engineering)的設計方法,設計者的精力主要集中在所要電子產品的准確定義上,EDA系統去完成電子產品的系統級至物理級的設計。極大地提高了系統設計的效率,使廣大的電子設計師開始實現“概念驅動工程”的夢想。設計師們擺脫了大量的輔助設計工作,而把精力集中於創造性的方案與概念構思上,從而極大地提高了設計效率,使設計更復雜的電路和系統成為可能,產品的研制周期大大縮短。
EDA的發展趨勢與展望
IC芯片的復雜程度和集成度與日俱增,IC設計對EDA的要求與依賴也是越來越高。IC芯片從傳統的單一功能的芯片(存儲器、邏輯、RF、I/O)發展到數字模擬混合電路,SOC,3DIC,IP復用,多功能集成系統等復雜系統芯片,而目前EDA的產品與設計流程都需要做相應的增強和調整。目前可以看到的一些比較重大的EDA發展趨勢為:軟硬件協同驗證(co-verification)與軟硬件協同虛擬設計平台的出現,前者將一個龐大的邏輯設計分成許多小的邏輯塊,然后交給CPU或高速的FPGA做邏輯驗證,這樣可以極大地提高邏輯驗證的速度,目前,Synopsys的HAPS系列產品就是這類產品。后者是針對SOC或嵌入式系統等復雜的電子系統設計,這類設計中集中了多種邏輯功能塊,IP復用塊,以及底層固件等部件,采用這一系統可以讓硬件和軟件設計工程師一起協同工作,加快了系統開發和驗證的周期。
另外,設計的規模日益增長也對EDA工具的仿真容量和速度精度都提出了更為苛刻的要求,有一些EDA廠商開始把目光投向雲計算,以期獲得更快的運行速度。人工智能的技術也將被更多地引入EDA工具中,來實現EDA自動設計流程中的“工具智能化”。
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