กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 8 นาที

ระบบอัตโนมัติการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์

การออกแบบอัตโนมัติทางอิเล็กทรอนิกส์ ( EDA ) หรือที่เรียกว่าการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วยทางอิเล็กทรอนิกส์ ( ECAD )

ระบบอัตโนมัติการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์

การออกแบบอัตโนมัติทางอิเล็กทรอนิกส์ ( EDA ) หรือที่เรียกว่าการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วยทางอิเล็กทรอนิกส์ ( ECAD ) [ 1 ]เป็นหมวดหมู่ของเครื่องมือซอฟต์แวร์สำหรับการออกแบบระบบอิเล็กทรอนิกส์เช่นวงจรรวมและแผงวงจรพิมพ์เครื่องมือเหล่านี้ทำงานร่วมกันในกระบวนการออกแบบที่นักออกแบบชิปใช้ในการออกแบบและวิเคราะห์ ชิป เซมิคอนดักเตอร์ ทั้งหมด เนื่องจาก ชิป เซมิคอนดักเตอร์ สมัยใหม่ สามารถมีส่วนประกอบได้หลายพันล้านชิ้น เครื่องมือ EDA จึงมีความสำคัญต่อการออกแบบ ชุดเทคโนโลยีที่สมบูรณ์ได้รับการบูรณาการในเครื่องมือ EDA ซึ่งได้รับการขยายไปสู่ซอฟต์แวร์ ฮาร์ดแวร์ และวิธีการออกแบบ (เช่น ผ่านบริการออกแบบ) บทความนี้โดยเฉพาะอย่างยิ่งจะอธิบาย EDA โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนที่เกี่ยวกับวงจรรวม (IC)

ประวัติศาสตร์

ยุคแรกเริ่ม

การออกแบบอัตโนมัติทางอิเล็กทรอนิกส์ครั้งแรกถือเป็นผลงานของIBMโดยมีเอกสารประกอบสำหรับ คอมพิวเตอร์ ซีรีส์ 700ในช่วงทศวรรษ 1950 [ 2 ]

IBMได้พัฒนาหนึ่งในระบบช่วยออกแบบด้วยคอมพิวเตอร์ (CAD) รุ่นแรกๆ ซึ่งรู้จักกันในชื่อ Automated Logic Diagram (ALD) ซึ่งเดิมทีทำงานบนคอมพิวเตอร์เมนเฟรม IBM 704 และ 705 กระบวนการออกแบบเริ่มต้นด้วยวิศวกรร่างแผนผัง ตรรกะด้วยมือ ซึ่งต่อมาถูกคัดลอกลงบนแม่แบบมาตรฐานและแปลงเป็นบัตรเจาะรูสำหรับการประมวลผลแบบดิจิทัล[ 2 ] [ 3 ]

แม้ว่าจะเน้นไปที่เรขาคณิตเชิงกล แต่DAC-1ของGeneral Motorsซึ่งสร้างร่วมกับIBM ก็เป็นหนึ่งในระบบ CAD แบบโต้ตอบ ที่ขับเคลื่อนด้วยกราฟิกรุ่นแรกๆและพิสูจน์ให้เห็นถึงความสามารถในการแก้ไขข้อมูลทางวิศวกรรมที่ซับซ้อนบนหน้าจอ ซึ่งเป็นแนวคิดที่เครื่องมือออกแบบ IC นำไปใช้ [ 4 ]

ก่อนการพัฒนา EDA วงจรรวมได้รับการออกแบบด้วยมือและวางผังด้วยมือ[ 5 ]ร้านค้าที่ทันสมัยบางแห่งใช้ซอฟต์แวร์เรขาคณิตเพื่อสร้างเทปสำหรับเครื่องพล็อตเตอร์Gerber ซึ่งมีหน้าที่สร้างภาพการเปิดรับแสงแบบขาวดำ แต่แม้แต่เครื่องเหล่านั้นก็ยังคัดลอกการบันทึกดิจิทัลของส่วนประกอบที่วาดด้วยเครื่องจักร กระบวนการนี้เป็นแบบกราฟิกโดยพื้นฐาน โดยการแปลงจากอิเล็กทรอนิกส์เป็นกราฟิกทำด้วยมือ บริษัทที่มีชื่อเสียงที่สุดในยุคนี้คือCalma ซึ่งรูปแบบ GDSIIของพวกเขายังคงใช้งานอยู่ในปัจจุบัน[ 6 ]

ในช่วงต้นทศวรรษ 1970 นักพัฒนาเริ่มทำการออกแบบวงจรโดยอัตโนมัติ นอกเหนือจากการร่างแบบ และ มีการพัฒนาเครื่องมือ จัดวางและกำหนดเส้นทาง เป็นครั้งแรก เนื่องจากสงครามเย็นการพัฒนาต่างๆ จึงมักเกิดขึ้นพร้อมๆ กัน ในโลกตะวันตก รายงานการประชุมของIEEEและการประชุม Design Automation Conferenceได้รวบรวมการพัฒนาส่วนใหญ่ในช่วงเวลานั้นไว้[ 5 ]และภายในปี 1973 จำเป็นต้องมีบรรณานุกรมขนาดใหญ่เพื่อติดตามการพัฒนาในสาขานี้[ 7 ] ในสหภาพโซเวียตความก้าวหน้าส่วนใหญ่ได้รับการอธิบายไว้ในหนังสือหลายเล่ม เริ่มตั้งแต่ปี 1975 [ 8 ]

ระบบการออกแบบกราฟิกของCalma (GDS, 1971) และ GDSII (1978) ซึ่งเป็นระบบ 32 บิตรุ่นต่อมา ช่วยให้วิศวกรสามารถแปลงและแก้ไขเลย์เอาต์ ชิปทั้งหมด บนมินิคอมพิวเตอร์ได้ ไฟล์ GDSII Stream ที่มาพร้อมกันกลายเป็นมาตรฐานการแลกเปลี่ยนมาสก์โดยพฤตินัยและยังคงได้รับการยอมรับในกระบวนการออกแบบสมัยใหม่[ 9 ]

ยุคถัดไปเริ่มต้นขึ้นหลังจากการตีพิมพ์หนังสือ "Introduction to VLSI Systems" โดยCarver MeadและLynn Conwayในปี 1980 [ 10 ]ซึ่งถือเป็นตำรามาตรฐานสำหรับการออกแบบชิป[ 11 ]ผลที่ได้คือความซับซ้อนของชิปที่สามารถออกแบบได้เพิ่มขึ้น พร้อมกับการเข้าถึงเครื่องมือตรวจสอบการออกแบบ ที่ใช้ การจำลองตรรกะ ที่ดีขึ้น ชิปนั้นง่ายต่อการวางเลย์เอาต์และมีแนวโน้มที่จะทำงานได้อย่างถูกต้องมากขึ้น เนื่องจากสามารถจำลองการออกแบบได้อย่างละเอียดถี่ถ้วนก่อนการสร้าง แม้ว่าภาษาและเครื่องมือจะมีการพัฒนาขึ้น แต่แนวทางทั่วไปในการระบุพฤติกรรมที่ต้องการในภาษาการเขียนโปรแกรมแบบข้อความและปล่อยให้เครื่องมือสร้างการออกแบบทางกายภาพโดยละเอียดนั้นยังคงเป็นพื้นฐานของการออกแบบ IC ดิจิทัลในปัจจุบัน

เครื่องมือ EDA รุ่นแรกๆ ถูกสร้างขึ้นในเชิงวิชาการ หนึ่งในเครื่องมือที่มีชื่อเสียงที่สุดคือ "Berkeley VLSI Tools Tarball" ซึ่งเป็นชุด ยูทิลิตี้ UNIXที่ใช้ในการออกแบบระบบ VLSI รุ่นแรกๆ เครื่องมือที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ได้แก่Espresso heuristic logic minimizer [ 12 ]ซึ่งรับผิดชอบในการลดความซับซ้อนของวงจร และMagic [ 13 ]ซึ่งเป็นแพลตฟอร์มการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย อีกพัฒนาการที่สำคัญคือการก่อตั้งMOSIS [ 14 ] ซึ่ง เป็นกลุ่มความร่วมมือของมหาวิทยาลัยและผู้ผลิตที่พัฒนาวิธีการฝึกอบรมนักออกแบบชิปนักศึกษาด้วยต้นทุน ต่ำโดยการผลิตวงจรรวมจริง แนวคิดพื้นฐานคือการใช้กระบวนการ IC ที่เชื่อถือได้ ต้นทุนต่ำ และเทคโนโลยีค่อนข้างต่ำ และบรรจุโครงการจำนวนมากต่อแผ่นเวเฟอร์โดยยังคงเก็บรักษาชิปหลายชุดจากแต่ละโครงการไว้ ผู้ผลิตที่ร่วมมือกันจะบริจาคเวเฟอร์ที่ผ่านการประมวลผลแล้วหรือขายในราคาต้นทุน เนื่องจากพวกเขาเห็นว่าโครงการนี้เป็นประโยชน์ต่อการเติบโตในระยะยาวของตนเอง

การคลอดเชิงพาณิชย์

ปี 1981 ถือเป็นจุดเริ่มต้นของอุตสาหกรรม EDA เป็นเวลาหลายปีที่บริษัทอิเล็กทรอนิกส์ขนาดใหญ่ เช่นHewlett-Packard , TektronixและIntelได้ดำเนินการพัฒนา EDA ภายในองค์กร โดยผู้จัดการและนักพัฒนาเริ่มแยกตัวออกมาจากบริษัทเหล่านี้เพื่อมุ่งเน้นธุรกิจ EDA โดยเฉพาะ บริษัทDaisy Systems , Mentor GraphicsและValid Logic Systemsก่อตั้งขึ้นในช่วงเวลานั้นและเรียกรวมกันว่า DMV นอกจากนี้ ในปี 1981 กระทรวงกลาโหมสหรัฐฯยังเริ่มให้ทุนสนับสนุนVHDLในฐานะภาษาสำหรับการอธิบายฮาร์ดแวร์ ภายในเวลาไม่กี่ปี ก็มีบริษัทจำนวนมากที่เชี่ยวชาญด้าน EDA โดยแต่ละบริษัทมีจุดเน้นที่แตกต่างกันเล็กน้อย

งานแสดงสินค้า EDA ครั้งแรกจัดขึ้นที่งานDesign Automation Conferenceในปี 1984 และในปี 1986 Verilogซึ่งเป็นภาษาออกแบบระดับสูงยอดนิยมอีกภาษาหนึ่ง ได้ถูกนำมาใช้เป็นภาษาอธิบายฮาร์ดแวร์เป็นครั้งแรกโดยGateway Design Automationหลังจากนั้นไม่นานก็มีการพัฒนาโปรแกรมจำลองขึ้นมา ทำให้สามารถจำลองการออกแบบชิปและข้อกำหนดที่สามารถเรียกใช้งานได้โดยตรง ภายในเวลาไม่กี่ปี ก็มีการพัฒนาส่วนหลังบ้าน (back-end) เพื่อทำการสังเคราะห์ตรรกะ (logic synthesis )

ยุคปัจจุบัน

กระบวนการดิจิทัลในปัจจุบันมีความเป็นโมดูลาร์สูงมาก โดยส่วนหน้าจะสร้างคำอธิบายการออกแบบที่เป็นมาตรฐาน ซึ่งจะคอมไพล์เป็นคำสั่งเรียกใช้หน่วยต่างๆ ที่คล้ายกับเซลล์ โดยไม่คำนึงถึงเทคโนโลยีเฉพาะของแต่ละหน่วย เซลล์จะทำหน้าที่ประมวลผลตรรกะหรือฟังก์ชันอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ โดยใช้เทคโนโลยีวงจรรวมเฉพาะ ผู้ผลิตโดยทั่วไปจะจัดเตรียมคลังส่วนประกอบสำหรับกระบวนการผลิตของตน พร้อมด้วยแบบจำลองการจำลองที่เหมาะสมกับเครื่องมือจำลองมาตรฐาน

วงจรอนาล็อกส่วนใหญ่ยังคงได้รับการออกแบบด้วยตนเอง ซึ่งต้องใช้ความรู้เฉพาะทางที่ไม่เหมือนใครในการออกแบบอนาล็อก (เช่น แนวคิดการจับคู่) [ 15 ]ดังนั้น เครื่องมือ EDA อนาล็อกจึงมีความเป็นโมดูลาร์น้อยกว่ามาก เนื่องจากต้องใช้ฟังก์ชันจำนวนมากขึ้น มีการโต้ตอบกันมากขึ้น และโดยทั่วไปแล้วส่วนประกอบต่างๆ ก็ไม่สมบูรณ์แบบ

EDA สำหรับอิเล็กทรอนิกส์มีความสำคัญเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเนื่องจากการพัฒนาเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ อย่างต่อเนื่อง [ 16 ]ผู้ใช้บางรายเป็น ผู้ประกอบการ โรงหล่อซึ่งดำเนินการ โรงงาน ผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ("fabs") และบุคคลเพิ่มเติมที่รับผิดชอบในการใช้เทคโนโลยี บริษัทบริการออกแบบที่ใช้ซอฟต์แวร์ EDA เพื่อประเมินการออกแบบที่เข้ามาเพื่อความพร้อมในการผลิต เครื่องมือ EDA ยังใช้สำหรับการเขียนโปรแกรมฟังก์ชันการออกแบบลงในFPGAหรืออาร์เรย์เกตที่ตั้งโปรแกรมได้ ซึ่งเป็นการออกแบบวงจรรวมที่ปรับแต่งได้

ซอฟต์แวร์มุ่งเน้น

ออกแบบ

โปรแกรมจับภาพแผนผัง

กระบวนการออกแบบโดยพื้นฐานแล้วยังคงประกอบด้วยองค์ประกอบหลักหลายประการ ได้แก่:

การจำลอง

ข้อบกพร่องจากการพิมพ์หินและการผลิตอื่นๆ ที่จำลองขึ้น สามารถมองเห็นได้ในตัวเชื่อมต่อโลหะเซลล์มาตรฐานขนาดเล็ก
  • การจำลองทรานซิสเตอร์ – การจำลองทรานซิสเตอร์ระดับต่ำของพฤติกรรมตามแผนผัง/เลย์เอาต์ ซึ่งมีความแม่นยำในระดับอุปกรณ์
  • การจำลองตรรกะ – การจำลองแบบดิจิทัลของ พฤติกรรมดิจิทัล ( บูลีน 0/1) ของ RTLหรือเกตเน็ตลิสต์ซึ่งมีความแม่นยำในระดับบูลีน
  • การจำลองพฤติกรรม – การจำลองระดับสูงของการทำงานทางสถาปัตยกรรมของการออกแบบ ซึ่งมีความแม่นยำในระดับรอบการทำงานหรือระดับส่วนต่อประสาน
  • การจำลองฮาร์ดแวร์ – การใช้ฮาร์ดแวร์เฉพาะทางเพื่อจำลองตรรกะของการออกแบบที่เสนอ บางครั้งอาจเสียบเข้ากับระบบแทนชิปที่ยังไม่ได้สร้าง ซึ่งเรียกว่าการจำลองในวงจร (in-circuit emulation )
  • เทคโนโลยี CADจำลองและวิเคราะห์เทคโนโลยีการผลิตพื้นฐาน คุณสมบัติทางไฟฟ้าของอุปกรณ์ได้มาจากหลักการทางฟิสิกส์ของอุปกรณ์โดยตรง

การวิเคราะห์และการตรวจสอบ

การเตรียมการผลิต

ความปลอดภัยเชิงฟังก์ชัน

  • การวิเคราะห์ ความปลอดภัยเชิงฟังก์ชันการคำนวณอัตราความล้มเหลวตามเวลา (FIT) อย่างเป็นระบบ และตัวชี้วัดความครอบคลุมในการวินิจฉัยสำหรับการออกแบบ เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดการปฏิบัติตามกฎระเบียบสำหรับระดับความสมบูรณ์ด้านความปลอดภัยที่ต้องการ
  • การสังเคราะห์ความปลอดภัยเชิงฟังก์ชัน คือการเพิ่มประสิทธิภาพความน่าเชื่อถือให้กับองค์ประกอบที่มีโครงสร้าง (โมดูล, RAM, ROM, ไฟล์รีจิสเตอร์, FIFO) เพื่อปรับปรุงการตรวจจับข้อผิดพลาด/การทนต่อข้อผิดพลาด ซึ่งรวมถึง (แต่ไม่จำกัดเพียง) การเพิ่มรหัสตรวจจับและ/หรือแก้ไขข้อผิดพลาด (Hamming), ตรรกะสำรองสำหรับการตรวจจับข้อผิดพลาดและการทนต่อข้อผิดพลาด (แบบคู่/แบบสามเท่า) และการตรวจสอบโปรโตคอล (ความเท่าเทียมกันของอินเทอร์เฟซ, การจัดเรียงที่อยู่, การนับจังหวะ)
  • การตรวจสอบความปลอดภัยเชิงฟังก์ชัน การดำเนินการทดสอบหาข้อผิดพลาด ซึ่งรวมถึงการใส่ข้อผิดพลาดเข้าไปในการออกแบบและการตรวจสอบว่ากลไกความปลอดภัยตอบสนองอย่างเหมาะสมต่อข้อผิดพลาดที่ถือว่าครอบคลุมอยู่
การจัดวาง PCB และแผนผังวงจรสำหรับการออกแบบตัวเชื่อมต่อ

บริษัท

ปัจจุบัน

มูลค่าตลาดและชื่อบริษัท ณ เดือนมิถุนายน 2568:

Synopsys ประกาศแผนการเข้าซื้อกิจการ Ansys ในปี 2024 แต่ Ansys ยังคงเป็นบริษัทอิสระที่จดทะเบียนในตลาดหลักทรัพย์จนกว่าข้อตกลงจะเสร็จสิ้น (คาดว่าจะเสร็จสิ้นในครึ่งแรกของปี 2025) [ 26 ]

เลิกกิจการแล้ว

มูลค่าตลาดและชื่อบริษัทณ เดือนธันวาคม2554 : [ 27 ]

  • 2.33 พันล้านดอลลาร์ – Mentor Graphics ; Siemensเข้าซื้อกิจการ Mentor ในปี 2017 และเปลี่ยนชื่อเป็น Siemens EDA ในปี 2021 [ 28 ] [ 29 ]
  • 507 ล้านดอลลาร์สหรัฐ – Magma Design Automation ; Synopsys เข้าซื้อกิจการ Magma ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2555 [ 30 ] [ 31 ]
  • 6.44 พันล้านดอลลาร์ไต้หวัน – สปริงซอฟต์ ; ซินอปซิสเข้าซื้อกิจการสปริงซอฟต์ในเดือนสิงหาคม 2555

การเข้าซื้อกิจการ

บริษัท EDA หลายแห่งเข้าซื้อกิจการบริษัทขนาดเล็กที่มีซอฟต์แวร์หรือเทคโนโลยีอื่นๆ ที่สามารถปรับให้เข้ากับธุรกิจหลักของตนได้[ 32 ]ผู้นำตลาดส่วนใหญ่เป็นการควบรวมกิจการของบริษัทขนาดเล็กหลายแห่ง และแนวโน้มนี้ได้รับการสนับสนุนจากแนวโน้มของบริษัทซอฟต์แวร์ที่จะออกแบบเครื่องมือเป็นอุปกรณ์เสริมที่เข้ากับชุดโปรแกรมของผู้จำหน่ายรายใหญ่บนวงจรดิจิทัล ได้อย่างเป็นธรรมชาติ เครื่องมือใหม่ๆ จำนวนมากรวมการออกแบบอนาล็อกและระบบผสมเข้าไว้ด้วยกัน[ 33 ]สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากแนวโน้มที่จะวางระบบอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดไว้บนชิปตัวเดียว

เทคนิคการเรียนรู้ของเครื่องและปัญญาประดิษฐ์

ปัจจุบันวิธีการเรียนรู้ของเครื่องถูกนำไปใช้ในทุกขั้นตอนหลักของกระบวนการออกแบบวงจรรวม ตั้งแต่การสังเคราะห์ระดับสูงไปจนถึงการตรวจสอบขั้นสุดท้าย การเรียนรู้ของเครื่องช่วยลดระยะเวลาดำเนินการและปรับปรุงพลังงาน ประสิทธิภาพ และพื้นที่ (PPA) [ 34 ]ผู้จำหน่าย EDA ได้รวมเครื่องมือเพิ่มประสิทธิภาพที่คล้ายกันเข้ากับชุดเครื่องมือการผลิตแล้ว[ 35 ]

การเติบโตของระบบนิเวศ EDA แบบโอเพนซอร์ส

โครงการOpenROAD (Foundations and Realisation of Open, Accessible Design) ซึ่งเปิดตัวภายใต้โครงการ IDEA ของ DARPA [ 36 ]ได้เผยแพร่กระบวนการ RTL-to-GDS ที่ไม่มีมนุษย์เข้ามาเกี่ยวข้อง ซึ่งประสบความสำเร็จในการสร้างการออกแบบเทป[ 37 ] [ 38 ]การประชุมต่างๆ เช่น ORConf และการประชุมประจำปีของมูลนิธิ FOSSi ได้อุทิศหัวข้อสำคัญให้กับการพัฒนา EDA แบบโอเพนซอร์ส[ 39 ] [ 40 ]

การประชุมทางเทคนิค

ดูเพิ่มเติม

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ระบบอัตโนมัติการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์

การออกแบบอัตโนมัติทางอิเล็กทรอนิกส์ ( EDA ) หรือที่เรียกว่าการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วยทางอิเล็กทรอนิกส์ ( ECAD )

ยุคแรกเริ่ม

การออกแบบอัตโนมัติทางอิเล็กทรอนิกส์ครั้งแรกถือเป็นผลงานของ IBM โดยมีเอกสารประกอบสำหรับ คอมพิวเตอร์ ซีรีส์ 700 ในช่วงทศวรรษ 1950 [ 2 ]

การคลอดเชิงพาณิชย์

ปี 1981 ถือเป็นจุดเริ่มต้นของอุตสาหกรรม EDA เป็นเวลาหลายปีที่บริษัทอิเล็กทรอนิกส์ขนาดใหญ่ เช่น Hewlett-Packard , Tektronix และ Intel ได้ดำเนินการพัฒนา EDA ภายในองค์กร โดยผู้จัดการและนักพัฒนาเริ่มแยกตัวออกมาจากบริษัทเหล่านี้เพื่อมุ่งเน้นธุรกิจ EDA โดยเฉพาะ...

ยุคปัจจุบัน

กระบวนการดิจิทัลในปัจจุบันมีความเป็นโมดูลาร์สูงมาก โดยส่วนหน้าจะสร้างคำอธิบายการออกแบบที่เป็นมาตรฐาน ซึ่งจะคอมไพล์เป็นคำสั่งเรียกใช้หน่วยต่างๆ ที่คล้ายกับเซลล์ โดยไม่คำนึงถึงเทคโนโลยีเฉพาะของแต่ละหน่วย...