EDA的前世今生：1980年代的CAE工具

問題的提出

日益強(qiáng)大和復(fù)雜的計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)工具無疑是1980年代成功工程的關(guān)鍵。對這些工具的需求是由一系列趨勢推動(dòng)的，這些趨勢表明，技術(shù)的潛力與其實(shí)際應(yīng)用之間的差距正在擴(kuò)大:

• 對設(shè)計(jì)工程師的需求更大;
• 產(chǎn)品報(bào)廢速度快，縮短產(chǎn)品壽命;
• 由于產(chǎn)品復(fù)雜性的增加而增加產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間;
• 技術(shù)變革;
• 對優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的需求增加;
• 費(fèi)用負(fù)擔(dān)與資本設(shè)備的權(quán)衡。

雖然計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具通過提高我們制造復(fù)雜電子設(shè)備的能力縮小了這一差距，但設(shè)計(jì)工程師并不能直接受益于CAD工具。消除這種差距所需要的是一套集成的CAE工具，旨在顯著提高設(shè)計(jì)工程師的效率。這些工具必須既靈活，能夠應(yīng)對技術(shù)變化，又強(qiáng)大，能夠處理各種各樣的設(shè)計(jì)任務(wù)，并提高設(shè)計(jì)師的生產(chǎn)力和創(chuàng)造力。

許多有助于提高設(shè)計(jì)工程師生產(chǎn)力的技術(shù)進(jìn)步也有助于解決這一問題:CAE工具。本文將描述該解決方案，并討論將從中受益的設(shè)計(jì)工程任務(wù)。 

CAD的概念在不斷擴(kuò)展，我們認(rèn)為CA 概念有狹義和廣義之分，狹義的CAD 偏重于“制圖”和“建?！保◣缀文Ｐ停瑥V義CAD即覆蓋了所有利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)的過程，在這個(gè)意義上，CAE和EDA 也可以理解為是CAD的一種。

CAE的核心在于解方程，我們認(rèn)為，CAE 的關(guān)注點(diǎn)和出發(fā)點(diǎn)在于解決實(shí)際工程問題，無論是電磁仿真分析還是流體受力分析等實(shí)際問題在工程中都最終被抽象為了一個(gè)個(gè)數(shù)學(xué)方程，而得出仿真結(jié)果的過程就是求解數(shù)學(xué)問題的過程。這一過程也凝聚了工程師的智慧輸出，所以說CAE和工程結(jié)合最為緊密，同時(shí)門檻極高。
知乎

CAE趨勢

微處理革命已經(jīng)導(dǎo)致了電子設(shè)備的能力和復(fù)雜性的急劇增長。然而，伴隨這種增長的是許多系統(tǒng)復(fù)雜性的大幅增加，這反過來導(dǎo)致了產(chǎn)品可靠性的降低和產(chǎn)品開發(fā)周期的延長?？煽啃越档褪且?yàn)楫a(chǎn)品中出現(xiàn)缺陷的可能性更大;開發(fā)時(shí)間會增加，因?yàn)楫a(chǎn)品包含更多可能失敗的部件。

多年來，平均產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間增加了，預(yù)計(jì)在這十年中將繼續(xù)大幅增加。與此同時(shí)，據(jù)估計(jì)，電子產(chǎn)品的壽命正在縮短。圖1說明了這些趨勢;實(shí)線表示實(shí)際數(shù)字，虛線表示對不久的將來的估計(jì)。當(dāng)兩條曲線交叉時(shí)，就有必要在其前身上市之前開始開發(fā)新產(chǎn)品。這種“危險(xiǎn)地帶”的趨勢給公司帶來了很大的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樵谛庐a(chǎn)品進(jìn)入設(shè)計(jì)階段之前，他們無法得到市場對舊產(chǎn)品的反饋。市場反饋為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了至關(guān)重要的輸入——沒有市場反饋，企業(yè)就會失去很多創(chuàng)新機(jī)會。 

根據(jù)美國電子協(xié)會研究,電子工程師的短缺將會增加在1980年代之前,對工程師的需求超過了供應(yīng)大約3比1的比例(見圖2)。為了解決這一不足和保持競爭力,企業(yè)必須增加可用工程師的生產(chǎn)力。 

為了提高生產(chǎn)率，電子行業(yè)應(yīng)該借鑒其他遇到類似需求的行業(yè)。這些行業(yè)的許多公司通過增加資本設(shè)備支出達(dá)到了預(yù)期的生產(chǎn)率。電子工業(yè)本身已經(jīng)通過增加CAD設(shè)備的資本支出，極大地提高了生產(chǎn)力和物理布局過程的創(chuàng)新。
然而，與其他高產(chǎn)行業(yè)相比，電子行業(yè)的人均(即每位員工)資本設(shè)備支出非常低，如圖3所示。對于電子行業(yè)來說，要在這十年結(jié)束時(shí)達(dá)到所需的生產(chǎn)率，它必須增加支出，直到每個(gè)電氣工程師的資本等于支出(參見圖4)。 

電子工業(yè)從CAD支出的增加中獲得的好處包括

• 增加了周轉(zhuǎn)時(shí)間,
• 更大的產(chǎn)品創(chuàng)新,
• 更有效地響應(yīng)設(shè)計(jì)變更
• 更高質(zhì)量的生產(chǎn)投入。

一個(gè)專為設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助工程系統(tǒng)可以提供與成功的CAD布局系統(tǒng)相當(dāng)?shù)墓こ蹋峁╇娮庸I(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的許多好處。 

CAE工具

只有高效和多產(chǎn)的CAE工具才有機(jī)會成為工程過程的組成部分。為了為設(shè)計(jì)工程師創(chuàng)建一個(gè)有效的CAE產(chǎn)品，我們必須考慮兩個(gè)因素:工程設(shè)計(jì)過程中的活動(dòng)流程和設(shè)計(jì)工程師在該過程中每個(gè)活動(dòng)上花費(fèi)的時(shí)間。研究表明，設(shè)計(jì)過程只占用工程師三分之一的時(shí)間。其他活動(dòng)，如計(jì)劃、文檔和項(xiàng)目交流(包括會議和技術(shù)討論)，也是工程工作日的重要組成部分(參見圖5)。 

CAE系統(tǒng)的目的是增加而不是更改工程師的活動(dòng)流，如圖6所示。這樣的系統(tǒng)會帶來電子工業(yè)中提到的許多優(yōu)點(diǎn)，也會帶來其他的好處:

• 更大的創(chuàng)新,
• 更高效的設(shè)計(jì)過程，
• 更有效的項(xiàng)目管理，
• 更好地投入到原型過程中。 

一個(gè)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)該將所有的工程活動(dòng)集成到一個(gè)統(tǒng)一的CAE系統(tǒng)中。關(guān)聯(lián)性的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）提供了訪問每個(gè)工具的通用方法，并確保了系統(tǒng)的靈活性。這些工具應(yīng)該包括設(shè)計(jì)創(chuàng)建和設(shè)計(jì)分析工具。為了協(xié)助工程師工作的其他方面，工具還應(yīng)該包括文檔系統(tǒng)、項(xiàng)目溝通能力和編程輔助。 

設(shè)計(jì)工具。CAE系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)工具應(yīng)該足夠靈活，以允許平面設(shè)計(jì)和分層設(shè)計(jì)。生成的邏輯圖應(yīng)該由一個(gè)數(shù)據(jù)庫表示，該數(shù)據(jù)庫可以被傳輸?shù)酵獠课锢碓O(shè)計(jì)系統(tǒng);通過這個(gè)數(shù)據(jù)庫，分層設(shè)計(jì)能力應(yīng)該與其他應(yīng)用程序相連，如仿真和時(shí)序驗(yàn)證程序。為了優(yōu)化生產(chǎn)力，系統(tǒng)應(yīng)該能夠復(fù)制模型和共享設(shè)計(jì)。模擬器應(yīng)該允許在門級和功能塊中建模。此外，模擬器的圖形輸出可以使工程師更快地理解模擬結(jié)果。 

其他工具。除了設(shè)計(jì)工具，CAE系統(tǒng)中還需要工具來滿足其他項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需求。例如，一個(gè)完整的技術(shù)文檔系統(tǒng)是必不可少的。該系統(tǒng)應(yīng)直接與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫接口，以允許在文件中包括整個(gè)或部分的設(shè)計(jì)原理圖。

此外，CAE系統(tǒng)應(yīng)該以電子郵件系統(tǒng)的形式提供項(xiàng)目通信工具，以改善項(xiàng)目設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)各部分之間的通信。編程輔助工具應(yīng)該包括標(biāo)準(zhǔn)的語言編譯器，如Fortran和Pascal，以及編輯和調(diào)試工具。

我們應(yīng)該努力使系統(tǒng)技術(shù)獨(dú)立，從而與大多數(shù)設(shè)計(jì)環(huán)境兼容。理想情況下，應(yīng)用程序應(yīng)該是交互式的。系統(tǒng)應(yīng)該易于使用;一個(gè)構(gòu)思良好的人機(jī)界面應(yīng)該允許工程師通過分階段地接觸界面，在一天內(nèi)學(xué)會使用CAE系統(tǒng)。每一天的經(jīng)驗(yàn)都應(yīng)該增加工程師對系統(tǒng)掌握的復(fù)雜性。 

物理配置。傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)采用分時(shí)方式，操作人員的終端由一個(gè)中央處理單元包圍，不適合工程環(huán)境。CAE系統(tǒng)必須鼓勵(lì)在大量工程師之間共享設(shè)計(jì)和文檔，而不會出現(xiàn)多終端分時(shí)環(huán)境所導(dǎo)致的嚴(yán)重退化。由于傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)分時(shí)配置在響應(yīng)時(shí)間變得非常差以至于難以使用之前只能支持少數(shù)終端(見圖7)，CAE系統(tǒng)的最佳方法是分布式網(wǎng)絡(luò)。這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，作為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，通過高速通信鏈路相互連接。網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)可以共享資源，增加節(jié)點(diǎn)不會降低性能。 

最好和最靈活的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是通用計(jì)算機(jī)，具有以下特點(diǎn):

• 一種多程序操作系統(tǒng)，以確保系統(tǒng)能隨工業(yè)需求而增長；
• 32位專用CPU和虛擬內(nèi)存，以滿足工程設(shè)計(jì)和分析程序的大小和性能要求；
• 足夠的存儲能力，包括3到4兆的主存儲和30到60兆的輔助存儲；
• 圖形輸入和輸出能力，以支持設(shè)計(jì)創(chuàng)作和分析；
• 一種可同時(shí)顯示文本和圖形的高分辨率CRT，大小與普通文字處理器顯示器相似，可方便地應(yīng)用于工程環(huán)境。 
  

Idea 1000

如圖8所示，每個(gè)工作站都包含自己的CPU和軟件，因此節(jié)點(diǎn)可以輕松地添加到網(wǎng)絡(luò)中，而無需對系統(tǒng)軟件進(jìn)行重大修改。Idea 1000軟件使每個(gè)基于微處理器的工作站充分利用其類似大型機(jī)的能力。此外，該軟件是面向多處理的，以滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的需要。 

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。以Idea軟件為中心的關(guān)系數(shù)據(jù)庫有兩個(gè)功能:它提供數(shù)據(jù)庫和管理功能。數(shù)據(jù)庫設(shè)施分布在工作站網(wǎng)絡(luò)中，支持電路設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，允許應(yīng)用程序共享數(shù)據(jù)，而不需要為公共文件單獨(dú)存儲。這種方法不僅提高了系統(tǒng)性能，而且還為數(shù)據(jù)提供了高水平的保護(hù)。

管理設(shè)施控制電子郵件、設(shè)計(jì)發(fā)布、歸檔和系統(tǒng)配置。此外，并發(fā)性和版本控制系統(tǒng)確保工程師能夠訪問設(shè)計(jì)的最新版本，一個(gè)用戶所做的更改將被傳輸?shù)皆O(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的其他成員，并且避免對文件的同時(shí)訪問。 

應(yīng)用程序。Idea 1000軟件提供了一套完整的應(yīng)用程序，支持分層設(shè)計(jì)方法。這些應(yīng)用工具包括: 

結(jié)構(gòu)化邏輯設(shè)計(jì)。由于系統(tǒng)的圖形用戶界面，設(shè)計(jì)師不再需要紙和筆來創(chuàng)建和修改邏輯/電路設(shè)計(jì)(見圖9)。使用這個(gè)智能圖形編輯系統(tǒng)，他可以創(chuàng)建一個(gè)設(shè)計(jì)，一直到原始單元級別。該系統(tǒng)了解設(shè)計(jì)的電氣連接，因此可以在早期階段捕捉設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。電氣和物理連接性由可以連接到每個(gè)組件的一系列屬性來描述。在一個(gè)或多個(gè)設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)需要經(jīng)常訪問所有組件文件。因此，通常訪問的或標(biāo)準(zhǔn)的組件可以包含在其他更復(fù)雜的組件文件中。反過來，這些復(fù)雜的組件可以包含在后面的組件中，這樣設(shè)計(jì)人員就不需要“重新發(fā)明”經(jīng)過驗(yàn)證的和真實(shí)的方法。 

交互邏輯仿真。邏輯仿真工具運(yùn)行在結(jié)構(gòu)化邏輯設(shè)計(jì)上，以提供廣泛的邏輯建模和分析。由于模擬是在本地工作站上完成的，活動(dòng)可以在網(wǎng)絡(luò)中的其他工作站上不間斷地繼續(xù)。模擬器的圖形輸出，設(shè)計(jì)為熟悉的設(shè)計(jì)師，是類似示波器;波形以二進(jìn)制、十六進(jìn)制或八進(jìn)制表表示。

由于這個(gè)應(yīng)用程序直接使用來自邏輯設(shè)計(jì)的輸入，仿真程序運(yùn)行起來相對容易，只需要幾個(gè)命令。該模擬器支持MOS和TTL邏輯，可以模擬邏輯門，RAM, ROM和PLA。此外，設(shè)計(jì)師可以單獨(dú)模擬設(shè)計(jì)的各個(gè)部分，甚至在設(shè)計(jì)完成之前，以便及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)或性能缺陷。

互動(dòng)時(shí)間驗(yàn)證。時(shí)序驗(yàn)證器是對邏輯模擬器的補(bǔ)充。當(dāng)模擬器根據(jù)特定的邏輯值在一系列時(shí)鐘周期中分析電路設(shè)計(jì)時(shí)，定時(shí)驗(yàn)證器決定電路是否在一個(gè)完整的時(shí)鐘周期中以指定的時(shí)鐘速度正常工作。由于數(shù)字邏輯電路特別容易受到時(shí)序誤差的影響，因此在原型建立之前消除這些誤差是非常有價(jià)值的。 

具體地說，定時(shí)校驗(yàn)器通過一個(gè)時(shí)鐘周期跟蹤電路的每個(gè)信號路徑，通過將其分解成小的增量來增加周期的分辨率。驗(yàn)證器報(bào)告每個(gè)計(jì)時(shí)錯(cuò)誤，識別錯(cuò)誤的性質(zhì)和錯(cuò)誤發(fā)生的具體引腳。時(shí)序特性以兩種基本格式之一表示，第一種描述信號為“變化的”或“穩(wěn)定的”。“變化”表示信號處于從一種邏輯狀態(tài)到另一種邏輯狀態(tài)的轉(zhuǎn)換中，“穩(wěn)定”表示轉(zhuǎn)換完成。另一種格式是根據(jù)信號的實(shí)際邏輯值(1或0)以及它的上升和下降邊來描述信號。 

在定時(shí)驗(yàn)證過程中，電路原理圖可以顯示在屏幕上，這樣就可以自動(dòng)突出顯示包含錯(cuò)誤的每個(gè)引腳的準(zhǔn)確位置。此外，可以圖形化顯示特定的波形，以提高設(shè)計(jì)者對它們的時(shí)間關(guān)系的理解。 

電路仿真。這個(gè)應(yīng)用程序，Mentor的伯克利SPICE程序的增強(qiáng)版，允許設(shè)計(jì)者交互地模擬電路。不像Idea 1000交互式模擬器，這個(gè)包允許直接從設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫模擬電路。除了標(biāo)準(zhǔn)的Spice功能外，Mentor Spice還允許交互式圖形輸出來幫助解釋模擬。

項(xiàng)目溝通。項(xiàng)目通信應(yīng)用程序提供了幾個(gè)命令，允許設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的成員有效地相互通信。電子郵件設(shè)施，統(tǒng)稱為郵件系統(tǒng)，允許用戶在Idea 1000網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上與其他用戶交換消息;用戶還可以通過將收到的信息歸檔到單獨(dú)的電子“郵箱”中來組織它們。 

項(xiàng)目文檔。設(shè)計(jì)用于幫助工程師創(chuàng)建技術(shù)規(guī)格和專業(yè)質(zhì)量手冊，該包具有格式化和編輯功能，幾乎消除了對圖形藝術(shù)家和排字工人的需要。章節(jié)、圖形、表和頁面的自動(dòng)枚舉以及目錄表的自動(dòng)創(chuàng)建減少了創(chuàng)建項(xiàng)目文檔所涉及的文書工作。因?yàn)槲臋n系統(tǒng)與其他Idea 1000工具共享數(shù)據(jù)庫，所以設(shè)計(jì)文件中的圖形可以作為圖形包含在文檔中，每次設(shè)計(jì)更改時(shí)，圖形也會更新。 

Idea 1000的應(yīng)用程序集成在一個(gè)一致的人機(jī)界面上。該界面為每個(gè)應(yīng)用程序提供了類似的工作環(huán)境，并包括用于繪圖設(shè)計(jì)和控制圖形顯示的命令。靈活的人機(jī)界面和在線幫助和教程系統(tǒng)使用戶能夠快速、輕松地掌握系統(tǒng)。阿波羅計(jì)算機(jī)的虛擬存儲能力允許Idea 1000系統(tǒng)擴(kuò)展到大型工作站網(wǎng)絡(luò)。高網(wǎng)絡(luò)速度提供了平滑、可靠的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和令人印象深刻的功能成本比。 

結(jié)論

計(jì)算機(jī)輔助工程必須在所有的工程組織中扮演一個(gè)重要的角色，如果他們要在這個(gè)快速技術(shù)變化的十年中保持競爭力和盈利。如果沒有CAE工作站帶來的工程生產(chǎn)率的提高，這些組織將無法在設(shè)計(jì)復(fù)雜性增加和產(chǎn)品營銷時(shí)間減少的趨勢中生存下來。