أتمتة التصميم الإلكتروني

يُنسب الفضل في أول أتمتة لتصميم الإلكترونيات إلى شركة IBM من خلال توثيق أجهزة الكمبيوتر من سلسلة 700 في الخمسينيات من القرن الماضي. ^{[ 2 ]}

طورت شركة IBM أحد أقدم أنظمة التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD)، والمعروف باسم مخطط المنطق الآلي (ALD)، والذي تم تنفيذه في الأصل على أجهزة الحاسوب المركزية IBM 704 و705 . بدأت عملية التصميم بقيام المهندسين برسم مخططات منطقية يدويًا ، والتي تم نقلها لاحقًا إلى قوالب موحدة وتحويلها إلى بطاقات مثقبة للمعالجة الرقمية. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

على الرغم من تركيزها على الهندسة الميكانيكية، إلا أن نظام DAC-1 من جنرال موتورز ، الذي تم بناؤه بالاشتراك مع شركة IBM ، كان من بين أوائل أنظمة التصميم بمساعدة الحاسوب التفاعلية التي تعتمد على الرسومات، وقد أثبت جدوى التحرير القائم على الشاشة لبيانات هندسية معقدة، وهي فكرة تم تبنيها بواسطة أدوات تخطيط الدوائر المتكاملة . ^{[ 4 ]}

قبل تطوير برامج تصميم الدوائر الإلكترونية (EDA)، كانت الدوائر المتكاملة تُصمم وتُرتب يدويًا. ^{[ 5 ]} استخدمت بعض الشركات المتخصصة برامج هندسية لإنشاء أشرطة لجهاز رسم ضوئي من نوع Gerber ، المسؤول عن إنتاج صورة أحادية اللون، ولكن حتى هذه البرامج كانت تنسخ تسجيلات رقمية لمكونات مرسومة ميكانيكيًا. كانت العملية في جوهرها رسومية، حيث تتم عملية التحويل من الإلكترونيات إلى الرسومات يدويًا؛ وكانت شركة Calma أشهر شركة في تلك الحقبة ، ولا يزال تنسيق GDSII الخاص بها مستخدمًا حتى اليوم. ^{[ 6 ]}

في أوائل سبعينيات القرن العشرين، بدأ المطورون بأتمتة تصميم الدوائر الإلكترونية بالإضافة إلى الرسم الهندسي، وتم تطوير أولى أدوات تحديد المواقع والتوجيه . وبسبب الحرب الباردة ، كانت التطورات تحدث غالبًا بشكل متوازي تقريبًا. في العالم الغربي، وثّقت وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) ومؤتمر أتمتة التصميم غالبية التطورات في ذلك الوقت، ^{[ 5 ]} وبحلول عام 1973، برزت الحاجة إلى قائمة مراجع ضخمة لمتابعة التطورات في هذا المجال. ^{[ 7 ]} أما في الاتحاد السوفيتي ، فقد وُصف التقدم بشكل كبير في سلسلة من الكتب، بدءًا من عام 1975. ^{[ 8 ]}

سمح نظام التصميم الجرافيكي (GDS، 1971) من Calma وخليفته ذو 32 بت GDSII (1978) للمهندسين برقمنة وتحرير تخطيطات الرقائق الكاملة على الحواسيب الصغيرة؛ وأصبح ملف GDSII Stream المصاحب معيار تبادل الأقنعة الفعلي ولا يزال معترفًا به في عمليات التصميم الحديثة. ^{[ 9 ]}

بدأ العصر التالي بعد نشر كتاب "مقدمة في أنظمة VLSI " لكارفر ميد ولين كونواي عام 1980، ^{[ 10 ]} والذي يُعتبر المرجع الأساسي لتصميم الرقائق الإلكترونية. ^{[ 11 ]} وقد أسفر ذلك عن زيادة في تعقيد الرقائق التي يُمكن تصميمها، مع تحسين الوصول إلى أدوات التحقق من التصميم التي تستخدم محاكاة المنطق . أصبحت الرقائق أسهل في التخطيط وأكثر عرضة للعمل بشكل صحيح، نظرًا لإمكانية محاكاة تصميماتها بدقة أكبر قبل تصنيعها. على الرغم من تطور اللغات والأدوات، إلا أن هذا النهج العام المتمثل في تحديد السلوك المطلوب بلغة برمجة نصية وترك الأدوات تستخلص التصميم المادي التفصيلي لا يزال أساس تصميم الدوائر المتكاملة الرقمية حتى اليوم.

أُنتجت أدوات تصميم الدوائر الإلكترونية (EDA) الأولى في الأوساط الأكاديمية. ومن أشهرها "مجموعة أدوات بيركلي VLSI المضغوطة"، وهي مجموعة من أدوات يونكس المستخدمة في تصميم أنظمة VLSI المبكرة. ومن الأدوات الشائعة الاستخدام برنامج Espresso لتقليل تعقيد الدوائر المنطقية ^{[ 12 ]} ، وبرنامج Magic ^{[ 13 ]} ، وهو منصة تصميم بمساعدة الحاسوب. وكان من التطورات المهمة الأخرى تأسيس MOSIS ^{[ 14 ]} ، وهو اتحاد يضم جامعات وشركات تصنيع، حيث طور طريقة غير مكلفة لتدريب طلاب تصميم الرقائق من خلال إنتاج دوائر متكاملة حقيقية. وتقوم الفكرة الأساسية على استخدام عمليات تصنيع دوائر متكاملة موثوقة ومنخفضة التكلفة وتقنية بسيطة نسبيًا، وتجميع عدد كبير من المشاريع على كل رقاقة ، مع الاحتفاظ بنسخ متعددة من الرقائق من كل مشروع. وقد تبرعت شركات التصنيع المتعاونة بالرقائق المُعالجة أو باعتها بسعر التكلفة، لأنها رأت في البرنامج فائدة لنموها على المدى الطويل.

شهد عام 1981 بداية ظهور تصميم الدوائر الإلكترونية (EDA) كصناعة مستقلة. لسنوات عديدة، سعت شركات الإلكترونيات الكبرى، مثل هيوليت -باكارد وتكترونيكس وإنتل ، إلى تطوير تصميم الدوائر الإلكترونية داخليًا، حيث بدأ المديرون والمطورون بالانفصال عن هذه الشركات للتركيز على تصميم الدوائر الإلكترونية كنشاط تجاري. تأسست شركات ديزي سيستمز ومينتور جرافيكس وفالد لوجيك سيستمز في ذلك الوقت تقريبًا، ويُشار إليها مجتمعةً باسم DMV. في عام 1981 أيضًا، بدأت وزارة الدفاع الأمريكية بتمويل لغة VHDL كلغة لوصف الأجهزة. في غضون سنوات قليلة، ظهرت العديد من الشركات المتخصصة في تصميم الدوائر الإلكترونية، ولكل منها تركيز مختلف قليلاً.

عُقد أول معرض تجاري لبرامج تصميم الدوائر الإلكترونية (EDA) في مؤتمر أتمتة التصميم عام 1984، وفي عام 1986، قدمت شركة Gateway Design Automation لغة Verilog ، وهي لغة تصميم عالية المستوى شائعة الاستخدام، كلغة لوصف الأجهزة . وسرعان ما تبع ذلك ظهور برامج المحاكاة، مما أتاح محاكاة مباشرة لتصميمات الرقائق والمواصفات التنفيذية. وفي غضون سنوات قليلة، طُوّرت واجهات خلفية لتنفيذ توليف الدوائر المنطقية .

تتميز عمليات المعالجة الرقمية الحالية ببنية معيارية للغاية، حيث تُنتج واجهات المستخدم وصفًا تصميميًا موحدًا يُدمج في استدعاءات لوحدات مشابهة للخلايا، بغض النظر عن تقنيتها الفردية. تُنفذ الخلايا وظائف منطقية أو إلكترونية أخرى باستخدام تقنية دوائر متكاملة محددة. وعادةً ما يُوفر المصنّعون مكتبات من المكونات لعمليات الإنتاج الخاصة بهم، مع نماذج محاكاة تتوافق مع أدوات المحاكاة القياسية.

لا تزال معظم الدوائر التناظرية تُصمم يدويًا، مما يتطلب معرفة متخصصة خاصة بالتصميم التناظري (مثل مفاهيم المطابقة). ^{[ 15 ]} ولذلك، فإن أدوات تصميم الدوائر الإلكترونية التناظرية أقل نمطية بكثير، نظرًا لكثرة الوظائف المطلوبة، وتفاعلها الأقوى، ومكوناتها الأقل مثالية بشكل عام.

ازدادت أهمية برامج تصميم الدوائر الإلكترونية (EDA) في مجال الإلكترونيات بشكلٍ سريع مع التطور المستمر لتكنولوجيا أشباه الموصلات . ^{[ 16 ]} من بين مستخدمي هذه البرامج مشغلو مصانع أشباه الموصلات ، بالإضافة إلى أفراد مسؤولين عن استخدام التكنولوجيا - شركات خدمات التصميم التي تستخدم برامج EDA لتقييم جاهزية التصميمات الواردة للتصنيع. كما تُستخدم أدوات EDA لبرمجة وظائف التصميم في مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة (FPGAs) ، وهي تصميمات دوائر متكاملة قابلة للتخصيص.

لا تزال عملية التصميم تتميز بشكل أساسي من خلال عدة مكونات رئيسية؛ وتشمل هذه المكونات ما يلي:

• التركيب عالي المستوى (المعروف أيضًا باسم التركيب السلوكي أو التركيب 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.
• توليف المنطق - ترجمة وصف تصميم RTL (على سبيل المثال مكتوب بلغة Verilog أو VHDL) إلى قائمة شبكة منفصلة أو تمثيل للبوابات المنطقية.
• التقاط المخططات - بالنسبة للخلايا الرقمية القياسية، والتناظرية، والترددات اللاسلكية، يتم التقاط CIS في Orcad بواسطة Cadence وISIS في Proteus.
• التخطيط - عادةً ما يكون تخطيطًا يعتمد على المخطط ، مثل Layout في برنامج Orcad من Cadence، وARES في برنامج Proteus

• محاكاة الترانزستور - محاكاة الترانزستور على مستوى منخفض لسلوك المخطط/التصميم، بدقة على مستوى الجهاز.
• محاكاة المنطق - محاكاة رقمية لسلوك RTL أو قائمة البوابات الرقمية ( الخطي 0/1)، بدقة على المستوى المنطقي.
• المحاكاة السلوكية - محاكاة عالية المستوى للعملية المعمارية للتصميم، دقيقة على مستوى الدورة أو مستوى الواجهة.
• محاكاة الأجهزة – استخدام أجهزة ذات أغراض خاصة لمحاكاة منطق تصميم مقترح. يمكن أحيانًا توصيلها بنظام بدلاً من شريحة لم يتم تصنيعها بعد؛ وهذا ما يسمى محاكاة الدائرة .
• تقوم برامج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) بمحاكاة وتحليل تكنولوجيا العمليات الأساسية. وتُستمد الخصائص الكهربائية للأجهزة مباشرة من فيزياء الجهاز.

• التحقق الوظيفي : يضمن مطابقة تصميم المنطق للمواصفات وتنفيذ المهام بشكل صحيح. يشمل التحقق الوظيفي الديناميكي عبر المحاكاة والمحاكاة والنماذج الأولية. ^{[ 17 ]}
• التحقق من صحة التعليمات البرمجية من اليمين إلى اليسار للتأكد من الالتزام بقواعد البرمجة مثل بناء الجملة والدلالات والأسلوب. ^{[ 18 ]}
• التحقق من عبور نطاق الساعة (فحص CDC): مشابه لعملية التدقيق اللغوي ، ولكن هذه الفحوصات/الأدوات متخصصة في اكتشاف المشكلات المحتملة والإبلاغ عنها مثل فقدان البيانات ، وعدم الاستقرار بسبب استخدام نطاقات ساعة متعددة في التصميم.
• التحقق الرسمي ، أو التحقق من النموذج : محاولات لإثبات، بالطرق الرياضية، أن النظام لديه خصائص مرغوبة معينة، وأن بعض التأثيرات غير المرغوبة (مثل حالة الجمود ) لا يمكن أن تحدث.
• التحقق من التكافؤ : مقارنة خوارزمية بين وصف RTL للشريحة وقائمة البوابات المركبة ، لضمان التكافؤ الوظيفي على المستوى المنطقي .
• تحليل التوقيت الثابت : تحليل توقيت الدائرة بطريقة مستقلة عن المدخلات، وبالتالي إيجاد أسوأ حالة على جميع المدخلات الممكنة.
• استخراج التصميم : بدءًا من تصميم مقترح، يتم حساب الخصائص الكهربائية (التقريبية) لكل سلك وجهاز. غالبًا ما يُستخدم هذا الأسلوب بالتزامن مع تحليل التوقيت الثابت المذكور أعلاه لتقدير أداء الشريحة النهائية.
• تقوم برامج حل المجال الكهرومغناطيسي ، أو ببساطة برامج حل المجال ، بحل معادلات ماكسويل مباشرةً في حالات تصميم الدوائر المتكاملة ولوحات الدوائر المطبوعة. وهي معروفة بأنها أبطأ ولكنها أكثر دقة من استخراج التصميم المذكور أعلاه.
• التحقق المادي ، PV: التحقق مما إذا كان التصميم قابلاً للتصنيع المادي، وأن الرقائق الناتجة لن تحتوي على أي عيوب مادية تمنع الوظيفة، وستفي بالمواصفات الأصلية.
• تحليل الإنتاجية : تقدير إنتاجية (وبالتالي تكلفة) الرقاقة المصنعة، وتحديد اختناقات الإنتاجية لاقتراح تغييرات مفيدة.

• إعداد بيانات القناع أو MDP - توليد أقنعة الطباعة الحجرية الفعلية ، المستخدمة في تصنيع الشريحة فعليًا.
  • تشمل عملية تشطيب الرقائق تصميمات وهياكل مخصصة لتحسين قابلية تصنيع التصميم. ومن أمثلة هذه الهياكل حلقات منع التسرب وهياكل الحشو. ^{[ 19 ]}
  • إنتاج تخطيط شبكة التصويب مع أنماط الاختبار وعلامات المحاذاة.
  • تحضير تخطيط القناع الذي يُحسّن بيانات التخطيط باستخدام عمليات رسومية، مثل تقنيات تحسين الدقة (RET) - وهي طرق لزيادة جودة قناع الصور النهائي . يشمل ذلك أيضًا تصحيح التقارب البصري (OPC) أو تقنية الطباعة الحجرية العكسية (ILT) - وهي معالجة مسبقة لتأثيرات الانعراج والتداخل التي تحدث لاحقًا عند تصنيع الشريحة باستخدام هذا القناع.
  • توليد القناع - توليد صورة قناع مسطحة من تصميم هرمي.
  • توليد أنماط الاختبار التلقائي أو ATPG - توليد بيانات النمط بشكل منهجي لاختبار أكبر عدد ممكن من البوابات المنطقية والمكونات الأخرى.
  • الاختبار الذاتي المدمج أو BIST – تركيب وحدات تحكم اختبار مستقلة لاختبار منطق أو بنية ذاكرة في التصميم تلقائيًا

• تحليل السلامة الوظيفية ، والحساب المنهجي لمعدلات الفشل في الوقت (FIT) ومقاييس التغطية التشخيصية للتصاميم من أجل تلبية متطلبات الامتثال لمستويات سلامة السلامة المطلوبة.
• يُعنى توليف السلامة الوظيفية بإضافة تحسينات على موثوقية العناصر المهيكلة (الوحدات، وذاكرة الوصول العشوائي، وذاكرة القراءة فقط، وملفات التسجيل، ومخازن البيانات المؤقتة) لتحسين اكتشاف الأعطال وتحملها. ويشمل ذلك (على سبيل المثال لا الحصر) إضافة رموز اكتشاف الأخطاء و/أو تصحيحها (هامينغ)، ومنطق زائد لاكتشاف الأعطال وتحملها (تكرار/ثلاثي)، وفحوصات البروتوكول (تكافؤ الواجهة، ومحاذاة العناوين، وعدد النبضات).
• التحقق من السلامة الوظيفية، وإجراء حملة للكشف عن الأعطال، بما في ذلك إدخال الأعطال في التصميم والتحقق من أن آلية السلامة تتفاعل بطريقة مناسبة للأعطال التي تعتبر مشمولة.

القيمة السوقية واسم الشركة اعتبارًا من يونيو 2025:

• 75.4 مليار دولار ^{[ 20 ]} – سينوبسيس
• 81.1 مليار دولار ^{[ 21 ]} – أنظمة تصميم كادنس
• 29.4 مليار دولار ^{[ 22 ]} – أنسيس
• 9.01 مليار دولار أسترالي ^{[ 23 ]} - ألتيوم
• 170.7 مليار يورو ^{[ 24 ]} - سيمنز
• 112.9 مليار ين ياباني ^{[ 25 ]} – زوكين

أعلنت شركة سينوبسيس عن خطة للاستحواذ على شركة أنسيس في عام 2024، لكن أنسيس ستظل شركة مستقلة مدرجة في البورصة حتى إتمام الصفقة (المتوقع في النصف الأول من عام 2025). ^{[ 26 ]}

القيمة السوقية واسم الشركة اعتبارًا من ديسمبر 2011 [ ^{27 ]​}

• 2.33 مليار دولار - شركة Mentor Graphics ؛ استحوذت شركة Siemens على شركة Mentor في عام 2017 وأعادت تسميتها إلى Siemens EDA في عام 2021 ^{[ 28 ] [ 29 ]}
• 507 مليون دولار - شركة ماجما ديزاين أوتوميشن ؛ استحوذت شركة سينوبسيس على شركة ماجما في فبراير 2012 ^{[ 30 ] [ 31 ]}
• 6.44 مليار دولار تايواني جديد - سبرينغ سوفت ؛ استحوذت سينوبسيس على سبرينغ سوفت في أغسطس 2012

تستحوذ العديد من شركات تصميم الدوائر الإلكترونية على شركات صغيرة تمتلك برامج أو تقنيات أخرى قابلة للتكييف مع أعمالها الأساسية. ^{[ 32 ]} معظم الشركات الرائدة في السوق هي نتاج اندماج العديد من الشركات الصغيرة، ويُعزز هذا التوجه ميل شركات البرمجيات إلى تصميم أدوات كملحقات تتكامل بسلاسة مع مجموعة برامج الموردين الأكبر حجمًا في مجال الدوائر الرقمية ؛ إذ تتضمن العديد من الأدوات الجديدة تصميمًا تناظريًا وأنظمة مختلطة. ^{[ 33 ]} ويعود ذلك إلى التوجه نحو وضع الأنظمة الإلكترونية الكاملة على شريحة واحدة .