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 circuito impreso . 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 ordenadores de la serie 700 en los años cincuenta. [2]
Antes del desarrollo de EDA, los circuitos integrados se diseñaban y disponían manualmente. [3] Algunos talleres avanzados utilizaban software geométrico para generar cintas para un fototrazador Gerber , responsable de generar una imagen de exposición monocromática, pero incluso aquellos copiaban grabaciones digitales de componentes dibujados mecánicamente. El proceso fue fundamentalmente gráfico, realizándose la traducción de la electrónica a la gráfica de forma manual; 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 Design Automation Conference 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 podían diseñarse, 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 podían simularse más exhaustivamente 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 obtengan el diseño físico detallado sigue siendo la base del diseño de circuitos integrados digitales en la actualidad.
Las primeras herramientas EDA se produjeron de forma académica. Uno de los más famosos fue "Berkeley VLSI Tools Tarball", un conjunto de utilidades UNIX utilizadas para diseñar los primeros sistemas VLSI. Ampliamente utilizados fueron el minimizador lógico heurístico Espresso , [6] responsable de la reducción de la complejidad de los circuitos y Magic , [7] una plataforma de diseño asistido por ordenador. Otro avance crucial fue la formación de MOSIS , [8] un consorcio de universidades y fabricantes que desarrolló una forma económica de capacitar a estudiantes diseñadores de chips mediante la producción de circuitos integrados reales. El concepto básico era utilizar procesos de CI confiables, de bajo costo y de tecnología relativamente baja y empaquetar una gran cantidad de proyectos por oblea , conservando varias copias de chips de cada proyecto. Los fabricantes que cooperaron donaron las obleas procesadas o las vendieron al costo, ya que consideraron que el programa sería útil para su propio crecimiento a largo plazo.
Nacimiento comercial
1981 marcó el comienzo de EDA como industria. Durante muchos años, las empresas electrónicas más grandes, como Hewlett-Packard , Tektronix e Intel , habían buscado EDA internamente, y los gerentes y desarrolladores comenzaron a separarse de estas empresas para concentrarse en EDA como negocio. Daisy Systems , Mentor Graphics y Valid Logic Systems se fundaron en esta época y se denominan colectivamente DMV. En 1981, el Departamento de Defensa de EE. UU. también comenzó a financiar VHDL como lenguaje de descripción de hardware. En unos pocos años, había muchas empresas especializadas en EDA, cada una con un énfasis ligeramente diferente.
La primera feria comercial de EDA se celebró en la Design Automation Conference en 1984 y en 1986, Gateway Design Automation presentó por primera vez Verilog , otro popular lenguaje de diseño de alto nivel, como lenguaje de descripción de hardware . Los simuladores siguieron rápidamente estas introducciones, permitiendo la simulación directa de diseños de chips y especificaciones ejecutables. Al cabo de varios años, se desarrollaron back-ends para realizar síntesis lógica .
dia 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 células sin tener en cuenta su tecnología individual. Las células 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 ajustan a herramientas de simulación estándar.
La mayoría de los circuitos analógicos todavía se diseñan de forma manual, lo que requiere conocimientos especializados exclusivos del diseño analógico (como los conceptos de coincidencia). [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 personas adicionales responsables de utilizar las empresas de servicios de diseño de tecnología que utilizan el software EDA para evaluar un diseño entrante para su preparación para la fabricación. Las herramientas EDA también se utilizan para programar la funcionalidad de diseño en FPGA o conjuntos de puertas programables en campo, diseños de circuitos integrados personalizables.
Enfoques de software
Diseño
El flujo de diseño se caracteriza principalmente por varios componentes primarios; éstas incluyen:
Síntesis de alto nivel (también conocida como síntesis de comportamiento 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 los circuitos mediante la utilización de interacciones entre registros.
Simulación de comportamiento: simulación de alto nivel de la operación arquitectónica 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 aún por construir; esto se llama emulación en circuito .
La tecnología CAD simula y analiza la tecnología de proceso 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 verificación funcional dinámica mediante simulación, emulación y prototipos. [11]
RTL Linting para cumplir con reglas de codificación como sintaxis, semántica y estilo. [12]
Verificación formal , también verificación de modelos : intenta demostrar, mediante métodos matemáticos, que el sistema tiene ciertas propiedades deseadas y que algunos efectos no deseados (como el punto muerto ) no pueden ocurrir.
Comprobación de equivalencia : comparación algorítmica entre la descripción RTL de un chip y la lista de puertas de enlace sintetizada , para garantizar la equivalencia funcional a nivel lógico .
Análisis de temporización estática : análisis de la temporización de un circuito de manera independiente de la entrada, encontrando así el peor de los casos entre todas las entradas posibles.
Extracción de diseño : comenzando con un diseño propuesto, calcule las características eléctricas (aproximadas) de cada cable y dispositivo. A menudo se utiliza junto con el análisis de sincronización estática anterior para estimar el rendimiento del chip completo.
Verificación física , PV: comprobar si un diseño es físicamente fabricable y que los chips resultantes no tendrán ninguna función que prevenga defectos físicos y cumplirán con las especificaciones originales.
Acabado de viruta que incluye designaciones y estructuras personalizadas para mejorar la capacidad de fabricación del diseño. Ejemplos de estos últimos son un anillo de sellado y estructuras de relleno. [13]
Producir 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.
Autoprueba 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 falla en el tiempo (FIT) y métricas de cobertura de diagnóstico para diseños con el fin de cumplir con los requisitos de cumplimiento para los niveles de integridad de seguridad deseados.
Síntesis de seguridad funcional, agregue mejoras de confiabilidad a elementos estructurados (módulos, RAM, ROM, archivos de registro, FIFO) para mejorar la detección/tolerancia a fallas. Esto incluye (sin limitarse a) la adición de códigos de detección y/o corrección de errores (Hamming), lógica redundante para la detección de fallos y tolerancia a fallos (duplicado/triplicado) y comprobaciones de protocolo (paridad de interfaz, alineación de direcciones, recuento de latidos)
Verificación de la seguridad funcional, ejecución de una campaña de fallas, incluida la inserción de fallas en el diseño y verificación de que el mecanismo de seguridad reacciona de manera adecuada ante las fallas que se consideran cubiertas.
Diseño y esquema de PCB para el diseño de conectores.
Capitalización de mercado 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$ 6.440 millones – SpringSoft ; Synopsys adquirió SpringSoft en agosto de 2012
Adquisiciones
Muchas empresas de EDA adquieren pequeñas empresas con software u otra tecnología que pueden adaptarse 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 encajan naturalmente en el conjunto de programas de circuitos digitales de un proveedor más grande ; Muchas herramientas nuevas incorporan diseño analógico y sistemas mixtos. [25] Esto está sucediendo debido a la tendencia a colocar sistemas electrónicos completos en un solo chip .
^ "Acerca de la industria EDA". Consorcio de Automatización de Diseño Electrónico. 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 .
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^ "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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^ 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 .
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Notas
http://www.staticfreesoft.com/documentsTextbook.html Ayudas informáticas para VLSI Diseño de Steven M. Rubin
Fundamentos del diseño de circuitos electrónicos , por Lienig, Scheible, Springer, doi :10.1007/978-3-030-39284-0 ISBN 978-3-030-39284-0 , 2020
Diseño físico VLSI: de la partición de gráficos al cierre de tiempos , por Kahng, Lienig, Markov y Hu, doi :10.1007/978-90-481-9591-6 ISBN 978-90-481-9590-9 , 2011
Manual de automatización de diseño electrónico para circuitos integrados , por 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 , de Thomas Lengauer, ISBN 3-519-02110-2 , Teubner Verlag, 1997.
