La automatización del diseño electrónico ( EDA ), también conocida como diseño electrónico asistido por computadora ( ECAD ), [1] es una categoría de herramientas de software para diseñar sistemas electrónicos como circuitos integrados y placas de circuitos impresos . Las herramientas trabajan juntas en un flujo de diseño que los diseñadores de chips utilizan para diseñar y analizar chips semiconductores completos . Dado que un chip semiconductor moderno puede tener miles de millones de componentes, las herramientas EDA son esenciales para su diseño; este artículo en particular describe EDA específicamente con respecto a los circuitos integrados (CI).
Historia
Primeros días
La primera automatización del diseño electrónico se atribuye a IBM con la documentación de sus computadoras de la serie 700 en la década de 1950. [2]
Antes del desarrollo de EDA, los circuitos integrados se diseñaban y trazaban manualmente. [3] Algunos talleres avanzados utilizaban software geométrico para generar cintas para un fotoplotter Gerber , responsable de generar una imagen de exposición monocromática, pero incluso aquellos copiaban grabaciones digitales de componentes dibujados mecánicamente. El proceso era fundamentalmente gráfico, con la traducción de la electrónica a los gráficos realizada manualmente; la empresa más conocida de esta época fue Calma , cuyo formato GDSII todavía se utiliza en la actualidad. A mediados de la década de 1970, los desarrolladores comenzaron a automatizar el diseño de circuitos además del dibujo y se desarrollaron las primeras herramientas de colocación y enrutamiento ; mientras esto ocurría, las actas de la Conferencia de Automatización del Diseño catalogaron la gran mayoría de los desarrollos de la época. [3]
La siguiente era comenzó tras la publicación de "Introducción a los sistemas VLSI " de Carver Mead y Lynn Conway en 1980; [4] considerado el libro de texto estándar para el diseño de chips. [5] El resultado fue un aumento en la complejidad de los chips que se podían diseñar, con un mejor acceso a herramientas de verificación de diseño que utilizaban simulación lógica . Los chips eran más fáciles de diseñar y tenían más probabilidades de funcionar correctamente, ya que sus diseños se podían simular más a fondo antes de la construcción. Aunque los lenguajes y las herramientas han evolucionado, este enfoque general de especificar el comportamiento deseado en un lenguaje de programación textual y dejar que las herramientas deriven el diseño físico detallado sigue siendo la base del diseño de circuitos integrados digitales en la actualidad.
Las primeras herramientas de EDA se produjeron académicamente. Una de las más famosas fue el "Berkeley VLSI Tools Tarball", un conjunto de utilidades de UNIX utilizadas para diseñar los primeros sistemas VLSI. Se utilizaron ampliamente el minimizador lógico heurístico Espresso , [6] responsable de las reducciones de complejidad de los circuitos y Magic , [7] una plataforma de diseño asistido por computadora. Otro desarrollo crucial fue la formación de MOSIS , [8] un consorcio de universidades y fabricantes que desarrolló una forma económica de capacitar a los estudiantes diseñadores de chips mediante la producción de circuitos integrados reales. El concepto básico era utilizar procesos de CI confiables, de bajo costo y relativamente de baja tecnología y empaquetar una gran cantidad de proyectos por oblea , con varias copias de chips de cada proyecto conservados. Los fabricantes cooperadores donaron las obleas procesadas o las vendieron al costo, ya que vieron el programa como útil para su propio crecimiento a largo plazo.
Nacimiento comercial
1981 marcó el comienzo de EDA como industria. Durante muchos años, las compañías electrónicas más grandes, como Hewlett-Packard , Tektronix e Intel , habían trabajado en EDA internamente, y los gerentes y desarrolladores comenzaron a separarse de estas compañías para concentrarse en EDA como negocio. Daisy Systems , Mentor Graphics y Valid Logic Systems se fundaron en esta época y se las conocía colectivamente como DMV. En 1981, el Departamento de Defensa de los EE. UU. también comenzó a financiar VHDL como lenguaje de descripción de hardware. En pocos años, había muchas compañías especializadas en EDA, cada una con un énfasis ligeramente diferente.
La primera feria comercial de EDA se celebró en la Design Automation Conference de 1984 y, en 1986, Gateway Design Automation presentó por primera vez Verilog , otro lenguaje de diseño de alto nivel popular, como lenguaje de descripción de hardware . Los simuladores siguieron rápidamente a estas presentaciones, lo que permitió la simulación directa de diseños de chips y especificaciones ejecutables. En el transcurso de varios años, se desarrollaron back-ends para realizar síntesis lógica .
Día moderno
Los flujos digitales actuales son extremadamente modulares, con interfaces que producen descripciones de diseño estandarizadas que se compilan en invocaciones de unidades similares a las celdas sin tener en cuenta su tecnología individual. Las celdas implementan lógica u otras funciones electrónicas mediante la utilización de una tecnología de circuito integrado particular. Los fabricantes generalmente proporcionan bibliotecas de componentes para sus procesos de producción, con modelos de simulación que se adaptan a las herramientas de simulación estándar.
La mayoría de los circuitos analógicos todavía se diseñan de manera manual, lo que requiere conocimientos especializados que son exclusivos del diseño analógico (como la combinación de conceptos). [9] Por lo tanto, las herramientas EDA analógicas son mucho menos modulares, ya que se requieren muchas más funciones, interactúan más fuertemente y los componentes son, en general, menos ideales.
La importancia de la EDA para la electrónica ha aumentado rápidamente con el continuo aumento de la tecnología de semiconductores . [10] Algunos usuarios son operadores de fundiciones , que operan las instalaciones de fabricación de semiconductores ("fabs") y otras personas responsables de utilizar las empresas de servicios de diseño de tecnología que utilizan el software EDA para evaluar un diseño entrante para determinar su preparación para la fabricación. Las herramientas EDA también se utilizan para programar la funcionalidad de diseño en FPGAs o matrices de puertas programables en campo, diseños de circuitos integrados personalizables.
El software se centra
Diseño
El flujo de diseño se caracteriza principalmente por varios componentes primarios, entre los que se incluyen:
Síntesis de alto nivel (también conocida como síntesis conductual o síntesis algorítmica): la descripción del diseño de alto nivel (por ejemplo, en C/C++) se convierte en RTL o nivel de transferencia de registros, responsable de representar circuitos mediante la utilización de interacciones entre registros.
Síntesis lógica : la traducción de la descripción del diseño RTL (por ejemplo, escrita en Verilog o VHDL) en una lista de conexiones discreta o una representación de puertas lógicas.
Captura esquemática : para capturas digitales, analógicas y de tipo RF de celdas estándar, CIS en Orcad de Cadence e ISIS en Proteus. [ aclaración necesaria ]
Simulación del comportamiento: simulación de alto nivel del funcionamiento arquitectónico de un diseño, precisa a nivel de ciclo o de interfaz.
Emulación de hardware : uso de hardware de propósito especial para emular la lógica de un diseño propuesto. A veces se puede conectar a un sistema en lugar de un chip que aún no se ha construido; esto se denomina emulación en circuito .
Tecnología CAD simula y analiza la tecnología de procesos subyacente. Las propiedades eléctricas de los dispositivos se derivan directamente de la física del dispositivo.
Programa de captura esquemática
Análisis y verificación
Verificación funcional : garantiza que el diseño lógico coincida con las especificaciones y ejecute las tareas correctamente. Incluye la verificación funcional dinámica mediante simulación, emulación y prototipos. [11]
Linting RTL para el cumplimiento de las reglas de codificación como sintaxis, semántica y estilo. [12]
Verificación formal , también comprobación de modelos : intenta demostrar, mediante métodos matemáticos, que el sistema tiene ciertas propiedades deseadas y que no pueden ocurrir algunos efectos no deseados (como el bloqueo ).
Comprobación de equivalencia : comparación algorítmica entre la descripción RTL de un chip y la lista de redes de puertas sintetizada , para garantizar la equivalencia funcional a nivel lógico .
Análisis de tiempo estático : análisis de la sincronización de un circuito de manera independiente de la entrada, encontrando así el peor caso para todas las entradas posibles.
Extracción de diseño : a partir de un diseño propuesto, se calculan las características eléctricas (aproximadas) de cada cable y dispositivo. A menudo se utiliza junto con el análisis de tiempo estático mencionado anteriormente para estimar el rendimiento del chip completo.
Verificación física , PV: verificar si un diseño es físicamente fabricable y que los chips resultantes no tendrán defectos físicos que impidan su funcionamiento y cumplirán con las especificaciones originales.
Acabado de chips que incluye designaciones y estructuras personalizadas para mejorar la capacidad de fabricación del diseño. Ejemplos de esto último son un anillo de sellado y estructuras de relleno. [13]
Producción de un diseño de retícula con patrones de prueba y marcas de alineación.
Generación de máscara : generación de una imagen de máscara plana a partir de un diseño jerárquico.
Generación automática de patrones de prueba o ATPG: la generación sistemática de datos de patrones para ejercitar tantas puertas lógicas y otros componentes como sea posible.
Prueba automática incorporada o BIST: la instalación de controladores de prueba autónomos para probar automáticamente una estructura lógica o de memoria en el diseño.
Seguridad funcional
Análisis de seguridad funcional , cálculo sistemático de tasas de fallas en el tiempo (FIT) y métricas de cobertura de diagnóstico para diseños con el fin de cumplir con los requisitos de cumplimiento de los niveles de integridad de seguridad deseados.
Síntesis de seguridad funcional, añadir mejoras de fiabilidad a elementos estructurados (módulos, RAM, ROM, archivos de registro, FIFO) para mejorar la detección de fallos/tolerancia a fallos. Esto incluye (sin limitarse a) la adición de códigos de detección y/o corrección de errores (Hamming), lógica redundante para detección de fallos y tolerancia a fallos (duplicado/triplicado) y comprobaciones de protocolo (paridad de interfaz, alineación de direcciones, conteo de pulsaciones)
Verificación de la seguridad funcional, ejecución de una campaña de fallos, incluyendo la inserción de fallos en el diseño y la verificación de que el mecanismo de seguridad reacciona de forma adecuada ante los fallos que se consideren cubiertos.
Diseño de PCB y esquema para el diseño de conectores
Capitalización bursátil y denominación social a diciembre de 2011 [actualizar]: [19]
2.330 millones de dólares: Mentor Graphics ; Siemens adquirió Mentor en 2017 y pasó a llamarse Siemens EDA en 2021 [20] [21]
507 millones de dólares: Magma Design Automation ; Synopsys adquirió Magma en febrero de 2012 [22] [23]
NT$6.44 mil millones – SpringSoft ; Synopsys adquirió SpringSoft en agosto de 2012
Adquisiciones
Muchas empresas de EDA adquieren pequeñas empresas con software u otra tecnología que se puede adaptar a su negocio principal. [24] La mayoría de los líderes del mercado son fusiones de muchas empresas más pequeñas y esta tendencia se ve favorecida por la tendencia de las empresas de software a diseñar herramientas como accesorios que se adaptan naturalmente a la suite de programas de un proveedor más grande sobre circuitos digitales ; muchas herramientas nuevas incorporan diseño analógico y sistemas mixtos. [25] Esto está sucediendo debido a una tendencia a colocar sistemas electrónicos completos en un solo chip .
^ "Acerca de la industria EDA". Electronic Design Automation Consortium. Archivado desde el original el 2 de agosto de 2015. Consultado el 29 de julio de 2015 .
^ "1966: Herramientas de diseño asistido por computadora desarrolladas para circuitos integrados". Museo de Historia de la Computación . Consultado el 1 de enero de 2023 .
^ ab "EDA (Electronic Design Automation): donde comienza la electrónica". Embed Journal . 25 de mayo de 2013 . Consultado el 1 de enero de 2023 .
^ "Carver Mead recibe el premio Kyoto de la Fundación Inamori". Caltech . 17 de junio de 2022 . Consultado el 1 de enero de 2023 .
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^ J. Lienig, J. Scheible (2020). "Capítulo 3.3: Datos de máscara: posprocesamiento de diseño". Fundamentos del diseño de circuitos electrónicos. Springer. págs. 102-110. doi :10.1007/978-3-030-39284-0. ISBN978-3-030-39284-0. Número de identificación del sujeto 215840278.
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^ Dylan McGrath (30 de noviembre de 2011). «Synopsys comprará Magma por 507 millones de dólares». EETimes. Archivado desde el original el 25 de octubre de 2012. Consultado el 17 de julio de 2012 .
^ "Synopsys adquirirá Magma Design Automation".
^ Kirti Sikri Desai (2006). "EDA Innovation through Merger and Acquisitions" (La innovación de la EDA a través de fusiones y adquisiciones). EDA Cafe . Consultado el 23 de marzo de 2010 .
^ "Semi Wiki:EDA Mergers and Acquisitions Wiki". SemiWiki.com . 16 de enero de 2011. Archivado desde el original el 3 de abril de 2019 . Consultado el 3 de abril de 2019 .
Notas
http://www.staticfreesoft.com/documentsTextbook.html Ayudas informáticas para el diseño VLSI por Steven M. Rubin
Fundamentos del diseño de trazado para circuitos electrónicos , de Lienig, Scheible, Springer, doi :10.1007/978-3-030-39284-0 ISBN 978-3-030-39284-0 , 2020
Diseño físico VLSI: desde la partición de gráficos hasta el cierre temporal , por Kahng, Lienig, Markov y Hu, doi : 10.1007/978-3-030-96415-3 ISBN 978-3-030-96414-6 , 2022
Manual de automatización de diseño electrónico para circuitos integrados , de Lavagno, Martin y Scheffer, ISBN 0-8493-3096-3 , 2006
The Electronic Design Automation Handbook , de Dirk Jansen et al., Kluwer Academic Publishers, ISBN 1-4020-7502-2 , 2003, disponible también en alemán ISBN 3-446-21288-4 (2005)
Algoritmos combinatorios para el diseño de circuitos integrados , por Thomas Lengauer, ISBN 3-519-02110-2 , Teubner Verlag, 1997.
