EDA的前世今生:1980年代的CAE工具

EDA的前世今生:1980年代的CAE工具
2021年10月24日 10:51 半导体行业观察

本文选自《IEEE Computer Graphics and Applications》杂志在1983年发表的文章而机器翻译而来。

问题的提出

日益强大和复杂的计算机辅助工程(CAE)工具无疑是1980年代成功工程的关键。对这些工具的需求是由一系列趋势推动的,这些趋势表明,技术的潜力与其实际应用之间的差距正在扩大:

对设计工程师的需求更大;

产品报废速度快,缩短产品寿命;

由于产品复杂性的增加而增加产品开发时间;

技术变革;

对优质产品的需求增加;

费用负担与资本设备的权衡。

虽然计算机辅助设计工具通过提高我们制造复杂电子设备的能力缩小了这一差距,但设计工程师并不能直接受益于CAD工具。消除这种差距所需要的是一套集成的CAE工具,旨在显著提高设计工程师的效率。这些工具必须既灵活,能够应对技术变化,又强大,能够处理各种各样的设计任务,并提高设计师的生产力和创造力。

许多有助于提高设计工程师生产力的技术进步也有助于解决这一问题:CAE工具。本文将描述该解决方案,并讨论将从中受益的设计工程任务。 

CAD的概念在不断扩展,我们认为CA 概念有狭义和广义之分,狭义的CAD 偏重于“制图”和“建模”(几何模型),广义CAD即覆盖了所有利用计算机进行辅助设计的过程,在这个意义上,CAE和EDA 也可以理解为是CAD的一种。

CAE的核心在于解方程,我们认为,CAE 的关注点和出发点在于解决实际工程问题,无论是电磁仿真分析还是流体受力分析等实际问题在工程中都最终被抽象为了一个个数学方程,而得出仿真结果的过程就是求解数学问题的过程。这一过程也凝聚了工程师的智慧输出,所以说CAE和工程结合最为紧密,同时门槛极高。

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CAE趋势

微处理革命已经导致了电子设备的能力和复杂性的急剧增长。然而,伴随这种增长的是许多系统复杂性的大幅增加,这反过来导致了产品可靠性的降低和产品开发周期的延长。可靠性降低是因为产品中出现缺陷的可能性更大;开发时间会增加,因为产品包含更多可能失败的部件。

多年来,平均产品开发时间增加了,预计在这十年中将继续大幅增加。与此同时,据估计,电子产品的寿命正在缩短。图1说明了这些趋势;实线表示实际数字,虚线表示对不久的将来的估计。当两条曲线交叉时,就有必要在其前身上市之前开始开发新产品。这种“危险地带”的趋势给公司带来了很大的风险,因为在新产品进入设计阶段之前,他们无法得到市场对旧产品的反馈。市场反馈为产品设计提供了至关重要的输入——没有市场反馈,企业就会失去很多创新机会。 

根据美国电子协会研究,电子工程师的短缺将会增加在1980年代之前,对工程师的需求超过了供应大约3比1的比例(见图2)。为了解决这一不足和保持竞争力,企业必须增加可用工程师的生产力。 

为了提高生产率,电子行业应该借鉴其他遇到类似需求的行业。这些行业的许多公司通过增加资本设备支出达到了预期的生产率。电子工业本身已经通过增加CAD设备的资本支出,极大地提高了生产力和物理布局过程的创新。

然而,与其他高产行业相比,电子行业的人均(即每位员工)资本设备支出非常低,如图3所示。对于电子行业来说,要在这十年结束时达到所需的生产率,它必须增加支出,直到每个电气工程师的资本等于支出(参见图4)。 

电子工业从CAD支出的增加中获得的好处包括

增加了周转时间,

更大的产品创新,

更有效地响应设计变更

更高质量的生产投入。

一个专为设计工程师设计的计算机辅助工程系统可以提供与成功的CAD布局系统相当的工程,提供电子工业已经实现的许多好处。 

CAE工具

只有高效和多产的CAE工具才有机会成为工程过程的组成部分。为了为设计工程师创建一个有效的CAE产品,我们必须考虑两个因素:工程设计过程中的活动流程和设计工程师在该过程中每个活动上花费的时间。研究表明,设计过程只占用工程师三分之一的时间。其他活动,如计划、文档和项目交流(包括会议和技术讨论),也是工程工作日的重要组成部分(参见图5)。 

CAE系统的目的是增加而不是更改工程师的活动流,如图6所示。这样的系统会带来电子工业中提到的许多优点,也会带来其他的好处:

更大的创新,

更高效的设计过程,

更有效的项目管理,

更好地投入到原型过程中。 

一个数据库管理系统应该将所有的工程活动集成到一个统一的CAE系统中。关联性的数据库管理系统(DBMS)提供了访问每个工具的通用方法,并确保了系统的灵活性。这些工具应该包括设计创建和设计分析工具。为了协助工程师工作的其他方面,工具还应该包括文档系统、项目沟通能力和编程辅助。 

设计工具。CAE系统中的设计工具应该足够灵活,以允许平面设计和分层设计。生成的逻辑图应该由一个数据库表示,该数据库可以被传输到外部物理设计系统;通过这个数据库,分层设计能力应该与其他应用程序相连,如仿真和时序验证程序。为了优化生产力,系统应该能够复制模型和共享设计。模拟器应该允许在门级和功能块中建模。此外,模拟器的图形输出可以使工程师更快地理解模拟结果。 

其他工具。除了设计工具,CAE系统中还需要工具来满足其他项目的设计需求。例如,一个完整的技术文档系统是必不可少的。该系统应直接与设计数据库接口,以允许在文件中包括整个或部分的设计原理图。

此外,CAE系统应该以电子邮件系统的形式提供项目通信工具,以改善项目设计团队各部分之间的通信。编程辅助工具应该包括标准的语言编译器,如Fortran和Pascal,以及编辑和调试工具。

我们应该努力使系统技术独立,从而与大多数设计环境兼容。理想情况下,应用程序应该是交互式的。系统应该易于使用;一个构思良好的人机界面应该允许工程师通过分阶段地接触界面,在一天内学会使用CAE系统。每一天的经验都应该增加工程师对系统掌握的复杂性。 

物理配置。传统的CAD系统采用分时方式,操作人员的终端由一个中央处理单元包围,不适合工程环境。CAE系统必须鼓励在大量工程师之间共享设计和文档,而不会出现多终端分时环境所导致的严重退化。由于传统的CAD系统分时配置在响应时间变得非常差以至于难以使用之前只能支持少数终端(见图7),CAE系统的最佳方法是分布式网络。这样的网络结构需要独立的计算机,作为网络中的节点,通过高速通信链路相互连接。网络中所有节点可以共享资源,增加节点不会降低性能。 

最好和最灵活的网络节点是通用计算机,具有以下特点:

一种多程序操作系统,以确保系统能随工业需求而增长;

32位专用CPU和虚拟内存,以满足工程设计和分析程序的大小和性能要求;

足够的存储能力,包括3到4兆的主存储和30到60兆的辅助存储;

图形输入和输出能力,以支持设计创作和分析;

一种可同时显示文本和图形的高分辨率CRT,大小与普通文字处理器显示器相似,可方便地应用于工程环境。 

Idea 1000

Mentor Graphics的Idea 1000就是一个集成良好的CAE系统的例子。它是为工程行业需求而开发的一个完整的逻辑设计和分析系统,简化了原理图、项目规划和管理、技术文件的设计和变更。它的目的是通过帮助设计工程师创建、捕获、分析、验证和记录复杂的逻辑设计来提高他们的生产力。它的目标客户是设计和记录pcb、超大规模集成电路、厚和薄混合电路或门阵列电路的工程师。 

系统架构。构成Idea 1000系统的硬件和软件组合包括一台Apollo Domain计算机、Aegis操作系统和六个为前端设计工程量身定制的应用软件包。Idea 1000既可以作为一个独立的工程工作站,也可以作为工作站网络中的一个节点。与基于大型机或小型机的系统不同,这个系统会随着规模的增长而变得更加强大。作为一个紧密连接的分布式网络,该系统可以包含200多个独立的工作站,共享外围设备和主机主机。

如图8所示,每个工作站都包含自己的CPU和软件,因此节点可以轻松地添加到网络中,而无需对系统软件进行重大修改。Idea 1000软件使每个基于微处理器的工作站充分利用其类似大型机的能力。此外,该软件是面向多处理的,以满足项目设计团队的需要。 

数据库管理系统。以Idea软件为中心的关系数据库有两个功能:它提供数据库和管理功能。数据库设施分布在工作站网络中,支持电路设计团队,允许应用程序共享数据,而不需要为公共文件单独存储。这种方法不仅提高了系统性能,而且还为数据提供了高水平的保护。

管理设施控制电子邮件、设计发布、归档和系统配置。此外,并发性和版本控制系统确保工程师能够访问设计的最新版本,一个用户所做的更改将被传输到设计团队的其他成员,并且避免对文件的同时访问。 

应用程序。Idea 1000软件提供了一套完整的应用程序,支持分层设计方法。这些应用工具包括: 

结构化逻辑设计。由于系统的图形用户界面,设计师不再需要纸和笔来创建和修改逻辑/电路设计(见图9)。使用这个智能图形编辑系统,他可以创建一个设计,一直到原始单元级别。该系统了解设计的电气连接,因此可以在早期阶段捕捉设计错误。电气和物理连接性由可以连接到每个组件的一系列属性来描述。在一个或多个设计中,可以根据需要经常访问所有组件文件。因此,通常访问的或标准的组件可以包含在其他更复杂的组件文件中。反过来,这些复杂的组件可以包含在后面的组件中,这样设计人员就不需要“重新发明”经过验证的和真实的方法。 

交互逻辑仿真。逻辑仿真工具运行在结构化逻辑设计上,以提供广泛的逻辑建模和分析。由于模拟是在本地工作站上完成的,活动可以在网络中的其他工作站上不间断地继续。模拟器的图形输出,设计为熟悉的设计师,是类似示波器;波形以二进制、十六进制或八进制表表示。

由于这个应用程序直接使用来自逻辑设计的输入,仿真程序运行起来相对容易,只需要几个命令。该模拟器支持MOS和TTL逻辑,可以模拟逻辑门,RAM, ROM和PLA。此外,设计师可以单独模拟设计的各个部分,甚至在设计完成之前,以便及早发现设计或性能缺陷。

互动时间验证。时序验证器是对逻辑模拟器的补充。当模拟器根据特定的逻辑值在一系列时钟周期中分析电路设计时,定时验证器决定电路是否在一个完整的时钟周期中以指定的时钟速度正常工作。由于数字逻辑电路特别容易受到时序误差的影响,因此在原型建立之前消除这些误差是非常有价值的。 

具体地说,定时校验器通过一个时钟周期跟踪电路的每个信号路径,通过将其分解成小的增量来增加周期的分辨率。验证器报告每个计时错误,识别错误的性质和错误发生的具体引脚。时序特性以两种基本格式之一表示,第一种描述信号为“变化的”或“稳定的”。“变化”表示信号处于从一种逻辑状态到另一种逻辑状态的转换中,“稳定”表示转换完成。另一种格式是根据信号的实际逻辑值(1或0)以及它的上升和下降边来描述信号。 

在定时验证过程中,电路原理图可以显示在屏幕上,这样就可以自动突出显示包含错误的每个引脚的准确位置。此外,可以图形化显示特定的波形,以提高设计者对它们的时间关系的理解。 

电路仿真。这个应用程序,Mentor的伯克利SPICE程序的增强版,允许设计者交互地模拟电路。不像Idea 1000交互式模拟器,这个包允许直接从设计数据库模拟电路。除了标准的Spice功能外,Mentor Spice还允许交互式图形输出来帮助解释模拟。

项目沟通。项目通信应用程序提供了几个命令,允许设计团队的成员有效地相互通信。电子邮件设施,统称为邮件系统,允许用户在Idea 1000网络系统上与其他用户交换消息;用户还可以通过将收到的信息归档到单独的电子“邮箱”中来组织它们。 

项目文档。设计用于帮助工程师创建技术规格和专业质量手册,该包具有格式化和编辑功能,几乎消除了对图形艺术家和排字工人的需要。章节、图形、表和页面的自动枚举以及目录表的自动创建减少了创建项目文档所涉及的文书工作。因为文档系统与其他Idea 1000工具共享数据库,所以设计文件中的图形可以作为图形包含在文档中,每次设计更改时,图形也会更新。 

Idea 1000的应用程序集成在一个一致的人机界面上。该界面为每个应用程序提供了类似的工作环境,并包括用于绘图设计和控制图形显示的命令。灵活的人机界面和在线帮助和教程系统使用户能够快速、轻松地掌握系统。阿波罗计算机的虚拟存储能力允许Idea 1000系统扩展到大型工作站网络。高网络速度提供了平滑、可靠的网络扩展和令人印象深刻的功能成本比。 

结论

计算机辅助工程必须在所有的工程组织中扮演一个重要的角色,如果他们要在这个快速技术变化的十年中保持竞争力和盈利。如果没有CAE工作站带来的工程生产率的提高,这些组织将无法在设计复杂性增加和产品营销时间减少的趋势中生存下来。 

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