EDA技术应用与发展史.docx

EDA软件的发展史历史与发展EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪60年代中期从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。在电子设计自动化（英语：Electronic design automation，缩写：EDA）出现之前，设计人员必须手工完成集成电路的设计、布线等工作，这是因为当时所谓集成电路的复杂程度远不及现在。工业界开始使用几何学方法来制造用于电路光绘（photoplotter）的胶带。到了1970年代中期，开发人应尝试将整个设计过程自动化，而不仅仅满足于自动完成掩膜草图。第一个电路布线、布局工具研发成功。设计自动化会议（Design Automation Conference）在这一时期被创立，旨在促进电子设计自动化的发展。电子设计自动化发展的下一个重要阶段以卡弗尔米德（Carver Mead）和琳康维于1980年发表的论文超大规模集成电路系统导论（Introduction to VLSI Systems）为标志。这一篇具有重大意义的论文提出了通过编程语言来进行芯片设计的新思想。如果这一想法得到实现，芯片设计的复杂程度可以得到显著提升。这主要得益于用来进行集成电路逻辑仿真、功能验证的工具的性能得到相当的改善。随着计算机仿真技术的发展，设计项目可以在构建实际硬件电路之前进行仿真，芯片布线布局对人工设计的要求降低，而且软件错误率不断降低。直至今日，尽管所用的语言和工具仍然不断在发展，但是通过编程语言来设计、验证电路预期行为，利用工具软件综合得到低抽象级物理设计的这种途径，仍然是数字集成电路设计的基础。从1981年开始，电子设计自动化逐渐开始商业化。1984年的设计自动化会议（Design Automation Conference）上还举办了第一个以电子设计自动化为主题的销售展览。Gateway设计自动化在1986年推出了一种硬件描述语言Verilog，这种语言在现在是最流行的高级抽象设计语言。1987年，在美国国防部的资助下，另一种硬件描述语言VHDL被创造出来。现代的电子设计自动化设计工具可以识别、读取不同类型的硬件描述。根据这些语言规范产生的各种仿真系统迅速被推出，使得设计人员可对设计的芯片进行直接仿真。后来，技术的发展更侧重于逻辑综合。目前的数字集成电路的设计都比较模块化（参见集成电路设计、设计收敛（Design closure）和设计流（Design flow (EDA)）。半导体器件制造工艺需要标准化的设计描述，高抽象级的描述将被编译为信息单元（cell）的形式。设计人员在进行逻辑设计时尚无需考虑信息单元的具体硬件工艺。利用特定的集成电路制造工艺来实现硬件电路，信息单元就会实施预定义的逻辑或其他电子功能。半导体硬件厂商大多会为它们制造的元件提供“元件库”，并提供相应的标准化仿真模型。相比数字的电子设计自动化工具，模拟系统的电子设计自动化工具大多并非模块化的，这是因为模拟电路的功能更加复杂，而且不同部分的相互影响较强，而且作用规律复杂，电子元件大多没有那么理想。Verilog AMS就是一种用于模拟电子设计的硬件描述语言。此文，设计人员可以使用硬件验证语言来完成项目的验证工作目前最新的发展趋势是将集描述语言、验证语言集成为一体，典型的例子有SystemVerilog。随着集成电路规模的扩大、半导体技术的发展，电子设计自动化的重要性急剧增加。这些工具的使用者包括半导体器件制造中心的硬件技术人员，他们的工作是操作半导体器件制造设备并管理整个工作车间。一些以设计为主要业务的公司，也会使用电子设计自动化软件来评估制造部门是否能够适应新的设计任务。电子设计自动化工具还被用来将设计的功能导入到类似现场可编程逻辑门阵列的半定制可编程逻辑器件，或者生产全定制的专用集成电路。概念EDA技术的概念EDA技术是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。应用现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。本文所指的EDA技术，主要针对电子电路设计、PCB设计和IC设计。EDA设计可分为系统级、电路级和物理实现级EDA常用软件EDA工具层出不穷，目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件有：EWB、PSPICE、OrCAD、PCAD、Protel、Viewlogic、Mentor、Graphics、Synopsys、LSIlogic、Cadence、MicroSim等等。这些工具都有较强的功能，一般可用于几个方面，例如很多软件都可以进行电路设计与仿真，同时以可以进行PCB自动布局布线，可输出多种网表文件与第三方软件接口。下面按主要功能或主要应用场合，分为电路设计与仿真工具、PCB设计软件、IC设计软件、PLD设计工具及其它EDA软件，进行简单介绍。1、电子电路设计与仿真工具电子电路设计与仿真工具包括SPICE/PSPICE；EWB；Matlab；SystemView；MMICAD等。下面简单介绍前三个软件。（1）SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis） 是由美国加州大学推出的电路分析仿真软件，是20世纪80年代世界上应用最广的电路设计软件，1998年被定为美国国家标准。1984年，美国MicroSim公司推出了基于SPICE的微机版PSPICE（PersonalSPICE）。现在用得较多的是PSPICE6.2，可以说在同类产品中，它是功能最为强大的模拟和数字电路混合仿真EDA软件，在国内普遍使用。最新推出了PSPICE9.1版本。它可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出、并在同一窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。无论对哪种器件哪些电路进行仿真，都可以得到精确的仿真结果，并可以自行建立元器件及元器件库。（2）EWB(Electronic Workbench)软件 是Interactive ImageTechnologies Ltd 在20世纪90年代初推出的电路仿真软件。目前普遍使用的是EWB5.2，相对于其它EDA软件，它是较小巧的软件（只有16M）。但它对模数电路的混合仿真功能却十分强大，几乎100%地仿真出真实电路的结果，并且它在桌面上提供了万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换器和电压表、电流表等仪器仪表。它的界面直观，易学易用。它的很多功能模仿了SPICE的设计，但分析功能比PSPICE稍少一些。（3）MATLAB产品族 它们的一大特性是有众多的面向具体应用的工具箱和仿真块，包含了完整的函数集用来对图像信号处理、控制系统设计、神经网络等特殊应用进行分析和设计。它具有数据采集、报告生成和MATLAB语言编程产生独立C/C+代*等功能。MATLAB产品族具有下列功能：数据分析；数值和符号计算；工程与科学绘图；控制系统设计；数字图像信号处理；财务工程；建模、仿真、原型开发；应用开发；图形用户界面设计等。MATLAB产品族被广泛地应用于信号与图像处理、控制系统设计、通讯系统仿真等诸多领域。开放式的结构使MATLAB产品族很容易针对特定的需求进行扩充，从而在不断深化对问题的认识同时，提高自身的竞争力。2、PCB设计软件PCB(PrintedCircuit Board)设计软件种类很多，如Protel； OrCAD；Viewlogic； PowerPCB； Cadence PSD；MentorGraphices的Expedition PCB；Zuken CadStart； Winboard/Windraft/Ivex-SPICE；PCB Studio； TANGO等等。目前在我国用得最多应属Protel，下面仅对此软件作一介绍。Protel是PROTEL公司在20世纪80年代末推出的CAD工具，是PCB设计者的首选软件。它较早在国内使用，普及率最高，有些高校的电路专业还专门开设Protel课程，几乎所在的电路公司都要用到它。早期的Protel主要作为印刷板自动布线工具使用，现在普遍使用的是Protel99SE，它是个完整的全方位电路设计系统，包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计（包含印刷电路板自动布局布线），可编程逻辑器件设计、图表生成、电路表格生成、支持宏*作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD、PSPICE、EXCEL等。使用多层印制线路板的自动布线，可实现高密度PCB的100%布通率。Protel软件功能强大、界面友好、使用方便，但它最具代表性的是电路设计和PCB设计。3、IC设计软件IC设计工具很多，其中按市场所占份额排行为Cadence、Mentor Graphics和Synopsys。这三家都是ASIC设计领域相当有名的软件供应商。其它公司的软件相对来说使用者较少。中国华大公司也提供ASIC设计软件（熊猫2000）；另外近来出名的Avanti公司，是原来在Cadence的几个华人工程师创立的，他们的设计工具可以全面和Cadence公司的工具相抗衡，非常适用于深亚微米的IC设计。下出按用途对IC设计软件作一些介绍。（1）设计输入工具 这是任何一种EDA软件必须具备的基本功能。像Cadence的composer,viewlogic的viewdraw,硬件描述语言VHDL、Verilog HDL是主要设计语言，许多设计输 入工具都支持HDL。另外像ActiveHDL和其它的设计输入方法，包括原理和状态机输入方法，设计FPGA/CPLD的工具大都可作为IC设计的输入手段，如Xilinx、Altera等公司提供的开发工具，Modelsim FPGA等。（2）设计仿真工作 我们使用EDA工具的一个最大好处是可以验证设计是否正确，几乎每个公司的EDA 产品都有仿真工具。VerilogXL、NCverilog用于Verilog仿真，Leapfrog用于VHDL仿真，Analog Artist用于模拟电路仿真。Viewlogic的仿真器有：viewsim门级电路仿真器，speedwaveVHDL仿真器，VCSverilog仿真器。Mentor Graphics有其子公司Model Tech 出品的VHDL和Verilog双仿真器：Model Sim。Cadence、Synopsys用的是VSS（VHDL仿真器）。现在的趋势是各大EDA公司都逐渐用HDL仿真器作为电路验证的工具。（3）综合工具 综合工具可以把HDL变成门级网表。这方面Synopsys工具占有较大的优势，它的Design Compile是作综合的工业标准，它还有另外一个产品叫Behavior Compiler，可以提供更高级的综合。另外最近美国又出了一家软件叫Ambit，说是比Synopsys的软件更有效，可以综合50万门的电路，速度更快。今年初Ambit被Cadence公司收购，为此Cadence放弃了它原来的综合软件Synergy。随着FPGA设计的规模越来越大，各EDA公司又开发了用于FPGA设计的综合软件，比较有名的有：Synopsys的FPGA Express,Cadence的Synplity，Mentor的Leonardo，这三家的FPGA综合软件占了市场的绝大部分。（4）布局和布线 在IC设计的布局布线工具中，Cadence软件是比较强的，它有很多产品，用于标准单元、门阵列已可实现交互布线。最有名的是Cadence spectra，它原来是用于PCB布线的，后来Cadence把它用来作IC的布线。其主要工具有：Cell3，Silicon Ensemble标准单元布线器；Gate Ensemble门阵列布线器；Design Planner布局工具。其它各EDA软件开发公司也提供各自的布局布线工具。（5）物理验证工具 物理验证工具包括版图设计工具、版图验证工具、版图提取工具等等。这方面Cadence也是很强的，其Dracula、Virtuso、Vampire等物理工具有很多的使用者。（6）模拟电路仿真器 前面讲的仿真器主要是针对数字电路的，对于模拟电路的仿真工具，普遍使用SPICE，这是唯一的选择。只不过是选择不同公司的SPICE，像MiceoSim的PSPICE、Meta Soft的HSPICE等等。HSPICE现在被Avanti公司收购了。在众多的SPICE中，最好最准的当数HSPICE，作为IC设计，它的模型最多，仿真的精度也最高。最新资讯Synopsys公司2014年用户大会的第一站-美国站上，Synopsys正式向业界发布了几款重量级新产品，Synopsys官方称之为业界最快的仿真系统ZeBu Server-3，为完整验证流程提供革命性技术支持的Verification Compiler验证编译器，以及可改变业界游戏规则的IC后端物理设计工具IC Compiler II。而在这之前，Synopsys创始人，现任CEO Aart de Geus来到中国，和国内媒体做深入交流。见到这位EDA领域的传奇人物是在3月21号，慕尼黑上海电子展结束后那天上午，匆匆一个小时的交流，信息量极大。印象最深刻的是Aart的儒雅亲切，以及对产业的清晰洞见。自下而上的设计，自上而下的工具系统级设计、SoC设计以及3D IC等概念代表着IC设计中的集成化趋势，Synopsys是较早意识到这种趋势的EDA厂商之一，Aart带领研发的一些设计和验证工具就是为复杂的芯片设计提供支持。Aart提到，随着制造工艺节点的向前推进，EDA厂商面临来自两方面的机遇和挑战，一方面是芯片厂商大规模复杂集成电路的设计、验证需求，另一方面是工艺厂商更低尺寸工艺节点的设计需求。对于前者，Aart表示设计通常为自下而上，从IP复用、纠错和原型设计、系统级复杂芯片到最后的系统设计，而工具则是自上而下的，从选择的工艺制程，设计中遵循的PPAY原则（即高性能、低功耗、小尺寸和高良率），规模化的复杂度，以至深入到硅。Synopsys此次推出的几款新产品代表了他们对复杂设计趋势的应对，用超过3年的研发，和一直以来年均33%的研发投入，为下一代设计提供技术和产品支持；对于后者，Aart认为FinFET工艺是20nm以下的必然选择，Synopsys多年来和UC伯克利以及众多领先Foundry厂商保持紧密合作，目前可为FinFET工艺提供IP、设计工具和技术团队的支持，并且Synopsys已经开始与7nm工艺产线的合作开发。但同时Aart也表示，7nm之后FinFET工艺将失效，届时将有新的工艺出现。Synopsys的下一个方向处理器IP+软件验证近年来通过一系列的合并和收购，EDA领域的三足鼎立格局基本形成，这几个厂商有竞争也有各自的优势技术。目前Synopsys的业务集中在设计、验证和IP三大领域，Aart表示，在现有业务领域，下一步可收购和整合的空间已经十分有限，预示Synopsys将开拓一些新兴市场来保证自己的业务有更强劲的增长。这些新兴市场在哪儿，我们能从Synopsys近期的新闻中找到一些线索。作为IP授权领域的第二大厂商，Synopsys是EDA厂商中的IP大鳄，近3年Synopsys的IP授权业务一直保持年均2030%的复合增长，而近年来嵌入式系统设计的趋势让Synopsys看到更多IP授权的空间，尤其是在它收购了ARC International公司之后，ARC处理器比ARM更加久远的历史，和它尤其适用于嵌入式SoC设计的特点，让它成为Synopsys投资的潜力股。但我们也都知道，处理器IP的市场成功严重依赖于产业生态圈的建设，Synopsys如何在ARM构筑的强大堤坝中钻个洞，让我们拭目以待。在验证部分，Aart谈到，随着系统级设计和硬件验证的复杂度与日俱增，以及随着物联网应用的不断推进，系统级产品的复杂度也在提升，多操作系统、多软件环境并存的现象将越来越普遍