أتمتة التصميم الإلكتروني

أتمتة التصميم الإلكتروني ( EDA )، والتي يشار إليها أيضًا باسم التصميم الإلكتروني بمساعدة الكمبيوتر ( ECAD )، ^[1] هي فئة من أدوات البرمجيات لتصميم الأنظمة الإلكترونية مثل الدوائر المتكاملة ولوحات الدوائر المطبوعة . تعمل الأدوات معًا في تدفق تصميم يستخدمه مصممو الرقائق لتصميم وتحليل رقائق أشباه الموصلات بالكامل . نظرًا لأن شريحة أشباه الموصلات الحديثة يمكن أن تحتوي على مليارات المكونات، فإن أدوات أتمتة التصميم الإلكتروني ضرورية لتصميمها؛ تصف هذه المقالة على وجه الخصوص أتمتة التصميم الإلكتروني بمساعدة الكمبيوتر فيما يتعلق بالدوائر المتكاملة (ICs).

يعود أقدم تصميم إلكتروني آلي إلى شركة IBM من خلال توثيق أجهزة الكمبيوتر من سلسلة 700 في الخمسينيات من القرن العشرين. ^[2]

قبل تطوير EDA، كانت الدوائر المتكاملة تُصمم يدويًا وتُوضع يدويًا. ^[3] استخدمت بعض المتاجر المتقدمة برامج هندسية لإنشاء أشرطة لجهاز رسم الصور Gerber ، المسؤول عن إنشاء صورة تعرض أحادية اللون، ولكن حتى تلك المتاجر كانت تنسخ التسجيلات الرقمية للمكونات المرسومة ميكانيكيًا. كانت العملية رسومية بشكل أساسي، مع الترجمة من الإلكترونيات إلى الرسومات التي تتم يدويًا؛ كانت شركة Calma الأكثر شهرة من هذا العصر ، والتي لا يزال تنسيق GDSII الخاص بها قيد الاستخدام حتى اليوم. بحلول منتصف السبعينيات، بدأ المطورون في أتمتة تصميم الدوائر بالإضافة إلى الرسم وتم تطوير أول أدوات التنسيب والتوجيه ؛ ومع حدوث ذلك، قامت وقائع مؤتمر أتمتة التصميم بفهرسة الغالبية العظمى من التطورات في ذلك الوقت. ^[3]

بدأ العصر التالي بعد نشر "مقدمة إلى أنظمة VLSI " بواسطة كارفر ميد ولين كونواي في عام 1980؛ ^[4] والذي يعتبر الكتاب المدرسي القياسي لتصميم الشريحة. ^[5] وكانت النتيجة زيادة في تعقيد الشرائح التي يمكن تصميمها، مع تحسين الوصول إلى أدوات التحقق من التصميم التي تستخدم محاكاة المنطق . كانت الشرائح أسهل في التصميم وأكثر عرضة للعمل بشكل صحيح، حيث يمكن محاكاة تصميماتها بشكل أكثر شمولاً قبل البناء. على الرغم من تطور اللغات والأدوات، إلا أن هذا النهج العام لتحديد السلوك المطلوب في لغة برمجة نصية والسماح للأدوات باستنتاج التصميم المادي التفصيلي يظل أساس تصميم الدائرة المتكاملة الرقمية اليوم.

تم إنتاج أقدم أدوات EDA أكاديميًا. كان أحد أشهرها "Berkeley VLSI Tools Tarball"، وهي مجموعة من أدوات UNIX المستخدمة لتصميم أنظمة VLSI المبكرة. كان يستخدم على نطاق واسع مُقلل المنطق الاستدلالي Espresso ، ^[6] المسؤول عن تقليل تعقيد الدائرة و Magic ، ^[7] وهي منصة تصميم بمساعدة الكمبيوتر. كان التطور الحاسم الآخر هو تشكيل MOSIS ، ^[8] وهو اتحاد من الجامعات والمصنعين الذين طوروا طريقة غير مكلفة لتدريب مصممي الرقائق الطلاب من خلال إنتاج دوائر متكاملة حقيقية. كان المفهوم الأساسي هو استخدام عمليات IC موثوقة ومنخفضة التكلفة ومنخفضة التقنية نسبيًا وتعبئة عدد كبير من المشاريع لكل رقاقة ، مع الاحتفاظ بعدة نسخ من الرقائق من كل مشروع. تبرع المصنعون المتعاونون بالرقائق المعالجة أو باعوها بسعر التكلفة، حيث رأوا أن البرنامج مفيد لنموهم على المدى الطويل.

كان عام 1981 بمثابة بداية لـ EDA كصناعة. لسنوات عديدة، كانت الشركات الإلكترونية الكبرى، مثل Hewlett-Packard و Tektronix و Intel ، تسعى إلى EDA داخليًا، حيث بدأ المديرون والمطورون في الخروج من هذه الشركات للتركيز على EDA كعمل تجاري. تأسست Daisy Systems و Mentor Graphics و Valid Logic Systems جميعها في هذا الوقت ويشار إليها مجتمعة باسم DMV. في عام 1981، بدأت وزارة الدفاع الأمريكية أيضًا في تمويل VHDL كلغة وصف للأجهزة. في غضون بضع سنوات، كان هناك العديد من الشركات المتخصصة في EDA، ولكل منها تركيز مختلف قليلاً.

أقيم أول معرض تجاري لـ EDA في مؤتمر Design Automation في عام 1984 وفي عام 1986، تم تقديم Verilog ، وهي لغة تصميم عالية المستوى شائعة أخرى، لأول مرة كلغة وصف للأجهزة بواسطة Gateway Design Automation . وسرعان ما تبعت أجهزة المحاكاة هذه المقدمات، مما سمح بالمحاكاة المباشرة لتصميمات الرقائق والمواصفات القابلة للتنفيذ. وفي غضون عدة سنوات، تم تطوير الواجهات الخلفية لأداء التوليف المنطقي .

إن التدفقات الرقمية الحالية تتسم بالتعددية الشديدة، حيث تنتج الواجهات الأمامية أوصاف تصميمية موحدة تتجمع في استدعاءات لوحدات مماثلة للخلايا بغض النظر عن التكنولوجيا الفردية الخاصة بها. تنفذ الخلايا المنطق أو الوظائف الإلكترونية الأخرى من خلال الاستفادة من تكنولوجيا معينة للدوائر المتكاملة. يوفر المصنعون عمومًا مكتبات من المكونات لعمليات الإنتاج الخاصة بهم، مع نماذج محاكاة تناسب أدوات المحاكاة القياسية.

لا تزال معظم الدوائر التناظرية مصممة بطريقة يدوية، مما يتطلب معرفة متخصصة فريدة من نوعها في التصميم التناظري (مثل مفاهيم المطابقة). ^[9] وبالتالي، فإن أدوات EDA التناظرية أقل قابلية للتكيف، حيث تتطلب العديد من الوظائف الأخرى، وتتفاعل بشكل أقوى والمكونات، بشكل عام، أقل مثالية.

لقد زادت أهمية EDA في مجال الإلكترونيات بسرعة مع التوسع المستمر في تكنولوجيا أشباه الموصلات . ^[10] بعض المستخدمين هم مشغلو المصانع ، الذين يديرون مرافق تصنيع أشباه الموصلات ("fabs") والأفراد الإضافيون المسؤولون عن استخدام شركات خدمات تصميم التكنولوجيا التي تستخدم برنامج EDA لتقييم التصميم الوارد للاستعداد للتصنيع. تُستخدم أدوات EDA أيضًا لبرمجة وظائف التصميم في FPGAs أو صفائف البوابات القابلة للبرمجة ميدانيًا، وتصميمات الدوائر المتكاملة القابلة للتخصيص.

قد تكون هذه المقالة تقنية للغاية بحيث يصعب على معظم القراء فهمها . يرجى المساعدة في تحسينها لجعلها مفهومة لغير المتخصصين ، دون إزالة التفاصيل التقنية. ( فبراير 2017 ) ( تعرف على كيفية ومتى يمكنك إزالة هذه الرسالة )

يظل تدفق التصميم يتميز بشكل أساسي بالعديد من المكونات الأساسية؛ وهي تشمل:

• التوليف عالي المستوى (المعروف أيضًا باسم التوليف السلوكي أو التوليف الخوارزمي) - يتم تحويل وصف التصميم عالي المستوى (على سبيل المثال في C/C++) إلى RTL أو مستوى نقل السجل، المسؤول عن تمثيل الدوائر من خلال استخدام التفاعلات بين السجلات.
• التوليف المنطقي – ترجمة وصف تصميم RTL (على سبيل المثال، المكتوب في Verilog أو VHDL) إلى قائمة شبكة منفصلة أو تمثيل للبوابات المنطقية.
• التقاط مخطط تخطيطي – لالتقاط CIS القياسي للخلية الرقمية والتناظرية والشبيهة بتردد الراديو في Orcad بواسطة Cadence وISIS في Proteus. ^{[ يحتاج إلى توضيح ]}
• التخطيط – عادةً ما يكون تخطيطًا قائمًا على الرسم التخطيطي ، مثل التخطيط في Orcad بواسطة Cadence، وARES في Proteus

• محاكاة الترانزستور - محاكاة ترانزستور منخفضة المستوى لسلوك المخطط/التخطيط، دقيقة على مستوى الجهاز.
• محاكاة المنطق - محاكاة رقمية لسلوك RTL أو قائمة شبكات البوابة الرقمية ( Boolean 0/1)، دقيقة على مستوى Boolean.
• المحاكاة السلوكية – محاكاة عالية المستوى لعملية التصميم المعماري، دقيقة على مستوى الدورة أو مستوى الواجهة.
• محاكاة الأجهزة – استخدام أجهزة ذات غرض خاص لمحاكاة منطق التصميم المقترح. ويمكن في بعض الأحيان توصيلها بنظام بدلاً من شريحة لم يتم بناؤها بعد؛ وهذا ما يسمى بالمحاكاة داخل الدائرة .
• تحاكي تقنية CAD وتحلل تكنولوجيا العملية الأساسية. يتم استخلاص الخصائص الكهربائية للأجهزة مباشرة من فيزياء الأجهزة

• التحقق الوظيفي : يضمن أن التصميم المنطقي يطابق المواصفات وينفذ المهام بشكل صحيح. يتضمن التحقق الوظيفي الديناميكي من خلال المحاكاة والمحاكاة والنماذج الأولية. ^[11]
• فحص RTL للتأكد من الالتزام بقواعد الترميز مثل بناء الجملة والدلالات والأسلوب. ^[12]
• التحقق من عبور نطاق الساعة (فحص CDC): مشابه للتحقق من الأخطاء ، ولكن هذه الفحوصات/الأدوات متخصصة في اكتشاف المشكلات المحتملة والإبلاغ عنها مثل فقدان البيانات والاستقرار الفوقي بسبب استخدام نطاقات ساعة متعددة في التصميم.
• التحقق الرسمي ، أو التحقق من النموذج : يحاول إثبات، باستخدام أساليب رياضية، أن النظام يتمتع بخصائص مرغوبة معينة، وأنه لا يمكن حدوث بعض التأثيرات غير المرغوبة (مثل الجمود ).
• التحقق من التكافؤ : مقارنة خوارزمية بين وصف RTL للشريحة وقائمة الشبكة البوابة المركبة ، لضمان التكافؤ الوظيفي على المستوى المنطقي .
• تحليل التوقيت الثابت : تحليل توقيت الدائرة بطريقة مستقلة عن المدخلات، وبالتالي إيجاد أسوأ حالة من بين كل المدخلات الممكنة.
• استخراج التخطيط : بدءًا بالتخطيط المقترح، احسب الخصائص الكهربائية (التقريبية) لكل سلك وجهاز. غالبًا ما يتم استخدامها جنبًا إلى جنب مع تحليل التوقيت الثابت أعلاه لتقدير أداء الشريحة المكتملة.
• تحل أجهزة حل المجال الكهرومغناطيسي ، أو أجهزة حل المجال فقط ، معادلات ماكسويل مباشرة في الحالات ذات الأهمية في تصميم الدوائر المتكاملة واللوحات المطبوعة. وهي معروفة بأنها أبطأ ولكنها أكثر دقة من استخراج التخطيط أعلاه.
• التحقق المادي ، PV: التحقق مما إذا كان التصميم قابلاً للتصنيع ماديًا، وأن الرقائق الناتجة لن تحتوي على أي عيوب مادية تمنع الوظيفة، وستلبي المواصفات الأصلية.

• إعداد بيانات القناع أو MDP - إنشاء أقنعة ضوئية ليثوغرافية فعلية ، تُستخدم في تصنيع الشريحة فعليًا.
  • تشطيب الرقائق الذي يتضمن تسميات وهياكل مخصصة لتحسين قابلية تصنيع التصميم. ومن الأمثلة على ذلك حلقة الختم وهياكل الحشو. ^[13]
  • إنتاج مخطط شبكي باستخدام أنماط الاختبار وعلامات المحاذاة.
  • إعداد التخطيط للقناع الذي يعزز بيانات التخطيط من خلال عمليات الرسومات، مثل تقنيات تحسين الدقة (RET) - طرق لزيادة جودة القناع الضوئي النهائي . ويشمل هذا أيضًا تصحيح القرب البصري ( OPC) أو تقنية الطباعة الحجرية العكسية (ILT) - التعويض المسبق عن تأثيرات الانعراج والتداخل التي تحدث لاحقًا عند تصنيع الشريحة باستخدام هذا القناع.
  • إنشاء القناع – إنشاء صورة قناع مسطحة من تصميم هرمي.
  • إنشاء نمط الاختبار التلقائي أو ATPG – إنشاء بيانات النمط بشكل منهجي لممارسة أكبر عدد ممكن من بوابات المنطق والمكونات الأخرى.
  • الاختبار الذاتي المدمج أو BIST – تثبيت وحدات تحكم اختبار ذاتية الاحتواء لاختبار بنية منطقية أو ذاكرة في التصميم تلقائيًا

• تحليل السلامة الوظيفية ، والحساب المنهجي لمعدلات الفشل في الوقت المناسب (FIT) ومقاييس التغطية التشخيصية للتصاميم من أجل تلبية متطلبات الامتثال لمستويات سلامة السلامة المطلوبة.
• تركيب السلامة الوظيفية، إضافة تحسينات الموثوقية إلى العناصر المنظمة (الوحدات النمطية، ووحدات RAM، ووحدات ROM، وملفات السجلات، ووحدات FIFO) لتحسين اكتشاف الأخطاء/التسامح مع الأخطاء. ويشمل هذا (على سبيل المثال لا الحصر) إضافة أكواد اكتشاف الأخطاء و/أو التصحيح (Hamming)، والمنطق الزائد لاكتشاف الأخطاء والتسامح مع الأخطاء (التكرار/التكرار الثلاثي) وفحوصات البروتوكول (تكافؤ الواجهة، ومحاذاة العنوان، وعدد الضربات)
• التحقق من السلامة الوظيفية، وتشغيل حملة الأعطال، بما في ذلك إدراج الأعطال في التصميم والتحقق من أن آلية السلامة تتفاعل بطريقة مناسبة للأخطاء التي تعتبر مغطاة.

القيمة السوقية واسم الشركة اعتبارًا من مارس 2023:

• 57.87 مليار دولار ^[14] – سينوبسيس
• 56.68 مليار دولار ^[15] – Cadence Design Systems
• 24.98 مليار دولار ^[16] – أنسيس
• 4.88 مليار دولار أسترالي ^[17] – ألتيوم
• ¥77.25 مليار ^[18] – زوكين

القيمة السوقية واسم الشركة اعتبارًا من ديسمبر 2011 ^[تحديث]: ^[19]

• 2.33 مليار دولار - Mentor Graphics ؛ استحوذت شركة Siemens على Mentor في عام 2017 وأعادت تسميتها إلى Siemens EDA في عام 2021 ^{[20] [21]}
• 507 مليون دولار – شركة Magma Design Automation ؛ استحوذت شركة Synopsys على شركة Magma في فبراير 2012 ^{[22] [23]}
• 6.44 مليار دولار تايواني – SpringSoft ؛ استحوذت شركة Synopsys على SpringSoft في أغسطس 2012

تستحوذ العديد من شركات EDA على شركات صغيرة تمتلك برامج أو تقنيات أخرى يمكن تكييفها مع أعمالها الأساسية. ^[24] معظم قادة السوق عبارة عن اندماجات للعديد من الشركات الأصغر حجمًا، ويساعد هذا الاتجاه ميل شركات البرمجيات إلى تصميم أدوات كملحقات تتناسب بشكل طبيعي مع مجموعة برامج البائع الأكبر على الدوائر الرقمية ؛ تتضمن العديد من الأدوات الجديدة تصميمًا تناظريًا وأنظمة مختلطة. ^[25] يحدث هذا بسبب الاتجاه إلى وضع أنظمة إلكترونية كاملة على شريحة واحدة .

• مؤتمر أتمتة التصميم
• المؤتمر الدولي للتصميم بمساعدة الحاسوب
• أتمتة التصميم والاختبار في أوروبا
• مؤتمر أتمتة التصميم في آسيا وجنوب المحيط الهادئ
• ندوات حول تكنولوجيا ودوائر VLSI

• التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD)
• تصميم الدوائر
• قاعدة بيانات EDA
• أسس واتجاهات أتمتة التصميم الإلكتروني
• التوقيع (أتمتة التصميم الإلكتروني)
• مقارنة بين برامج EDA
• التصميم القائم على المنصة
• مُجمِّع السيليكون

ملحوظات