EDA的前世今生：1980年代的CAE工具

問題的提出

日益強大和復雜的計算機輔助工程(CAE)工具無疑是1980年代成功工程的關鍵。對這些工具的需求是由一系列趨勢推動的，這些趨勢表明，技術的潛力與其實際應用之間的差距正在擴大:

• 對設計工程師的需求更大;
• 產品報廢速度快，縮短產品壽命;
• 由于產品復雜性的增加而增加產品開發(fā)時間;
• 技術變革;
• 對優(yōu)質產品的需求增加;
• 費用負擔與資本設備的權衡。

雖然計算機輔助設計工具通過提高我們制造復雜電子設備的能力縮小了這一差距，但設計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，旨在顯著提高設計工程師的效率。這些工具必須既靈活，能夠應對技術變化，又強大，能夠處理各種各樣的設計任務，并提高設計師的生產力和創(chuàng)造力。

許多有助于提高設計工程師生產力的技術進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計工程任務。 

CAD的概念在不斷擴展，我們認為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算機進行輔助設計的過程，在這個意義上，CAE和EDA 也可以理解為是CAD的一種。

CAE的核心在于解方程，我們認為，CAE 的關注點和出發(fā)點在于解決實際工程問題，無論是電磁仿真分析還是流體受力分析等實際問題在工程中都最終被抽象為了一個個數學方程，而得出仿真結果的過程就是求解數學問題的過程。這一過程也凝聚了工程師的智慧輸出，所以說CAE和工程結合最為緊密，同時門檻極高。
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CAE趨勢

微處理革命已經導致了電子設備的能力和復雜性的急劇增長。然而，伴隨這種增長的是許多系統(tǒng)復雜性的大幅增加，這反過來導致了產品可靠性的降低和產品開發(fā)周期的延長。可靠性降低是因為產品中出現(xiàn)缺陷的可能性更大;開發(fā)時間會增加，因為產品包含更多可能失敗的部件。

多年來，平均產品開發(fā)時間增加了，預計在這十年中將繼續(xù)大幅增加。與此同時，據估計，電子產品的壽命正在縮短。圖1說明了這些趨勢;實線表示實際數字，虛線表示對不久的將來的估計。當兩條曲線交叉時，就有必要在其前身上市之前開始開發(fā)新產品。這種“危險地帶”的趨勢給公司帶來了很大的風險，因為在新產品進入設計階段之前，他們無法得到市場對舊產品的反饋。市場反饋為產品設計提供了至關重要的輸入——沒有市場反饋，企業(yè)就會失去很多創(chuàng)新機會。 

根據美國電子協(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力。 

為了提高生產率，電子行業(yè)應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備支出達到了預期的生產率。電子工業(yè)本身已經通過增加CAD設備的資本支出，極大地提高了生產力和物理布局過程的創(chuàng)新。
然而，與其他高產行業(yè)相比，電子行業(yè)的人均(即每位員工)資本設備支出非常低，如圖3所示。對于電子行業(yè)來說，要在這十年結束時達到所需的生產率，它必須增加支出，直到每個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

• 增加了周轉時間,
• 更大的產品創(chuàng)新,
• 更有效地響應設計變更
• 更高質量的生產投入。

一個專為設計工程師設計的計算機輔助工程系統(tǒng)可以提供與成功的CAD布局系統(tǒng)相當的工程，提供電子工業(yè)已經實現(xiàn)的許多好處。 

CAE工具

只有高效和多產的CAE工具才有機會成為工程過程的組成部分。為了為設計工程師創(chuàng)建一個有效的CAE產品，我們必須考慮兩個因素:工程設計過程中的活動流程和設計工程師在該過程中每個活動上花費的時間。研究表明，設計過程只占用工程師三分之一的時間。其他活動，如計劃、文檔和項目交流(包括會議和技術討論)，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，也會帶來其他的好處:

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

一個數據庫管理系統(tǒng)應該將所有的工程活動集成到一個統(tǒng)一的CAE系統(tǒng)中。關聯(lián)性的數據庫管理系統(tǒng)（DBMS）提供了訪問每個工具的通用方法，并確保了系統(tǒng)的靈活性。這些工具應該包括設計創(chuàng)建和設計分析工具。為了協(xié)助工程師工作的其他方面，工具還應該包括文檔系統(tǒng)、項目溝通能力和編程輔助。 

設計工具。CAE系統(tǒng)中的設計工具應該足夠靈活，以允許平面設計和分層設計。生成的邏輯圖應該由一個數據庫表示，該數據庫可以被傳輸到外部物理設計系統(tǒng);通過這個數據庫，分層設計能力應該與其他應用程序相連，如仿真和時序驗證程序。為了優(yōu)化生產力，系統(tǒng)應該能夠復制模型和共享設計。模擬器應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果。 

其他工具。除了設計工具，CAE系統(tǒng)中還需要工具來滿足其他項目的設計需求。例如，一個完整的技術文檔系統(tǒng)是必不可少的。該系統(tǒng)應直接與設計數據庫接口，以允許在文件中包括整個或部分的設計原理圖。

此外，CAE系統(tǒng)應該以電子郵件系統(tǒng)的形式提供項目通信工具，以改善項目設計團隊各部分之間的通信。編程輔助工具應該包括標準的語言編譯器，如Fortran和Pascal，以及編輯和調試工具。

我們應該努力使系統(tǒng)技術獨立，從而與大多數設計環(huán)境兼容。理想情況下，應用程序應該是交互式的。系統(tǒng)應該易于使用;一個構思良好的人機界面應該允許工程師通過分階段地接觸界面，在一天內學會使用CAE系統(tǒng)。每一天的經驗都應該增加工程師對系統(tǒng)掌握的復雜性。 

物理配置。傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)采用分時方式，操作人員的終端由一個中央處理單元包圍，不適合工程環(huán)境。CAE系統(tǒng)必須鼓勵在大量工程師之間共享設計和文檔，而不會出現(xiàn)多終端分時環(huán)境所導致的嚴重退化。由于傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)分時配置在響應時間變得非常差以至于難以使用之前只能支持少數終端(見圖7)，CAE系統(tǒng)的最佳方法是分布式網絡。這樣的網絡結構需要獨立的計算機，作為網絡中的節(jié)點，通過高速通信鏈路相互連接。網絡中所有節(jié)點可以共享資源，增加節(jié)點不會降低性能。 

最好和最靈活的網絡節(jié)點是通用計算機，具有以下特點:

• 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和虛擬內存，以滿足工程設計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，以支持設計創(chuàng)作和分析；
• 一種可同時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，可方便地應用于工程環(huán)境。 
  

Idea 1000

如圖8所示，每個工作站都包含自己的CPU和軟件，因此節(jié)點可以輕松地添加到網絡中，而無需對系統(tǒng)軟件進行重大修改。Idea 1000軟件使每個基于微處理器的工作站充分利用其類似大型機的能力。此外，該軟件是面向多處理的，以滿足項目設計團隊的需要。 

數據庫管理系統(tǒng)。以Idea軟件為中心的關系數據庫有兩個功能:它提供數據庫和管理功能。數據庫設施分布在工作站網絡中，支持電路設計團隊，允許應用程序共享數據，而不需要為公共文件單獨存儲。這種方法不僅提高了系統(tǒng)性能，而且還為數據提供了高水平的保護。

管理設施控制電子郵件、設計發(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計的最新版本，一個用戶所做的更改將被傳輸到設計團隊的其他成員，并且避免對文件的同時訪問。 

應用程序。Idea 1000軟件提供了一套完整的應用程序，支持分層設計方法。這些應用工具包括: 

結構化邏輯設計。由于系統(tǒng)的圖形用戶界面，設計師不再需要紙和筆來創(chuàng)建和修改邏輯/電路設計(見圖9)。使用這個智能圖形編輯系統(tǒng)，他可以創(chuàng)建一個設計，一直到原始單元級別。該系統(tǒng)了解設計的電氣連接，因此可以在早期階段捕捉設計錯誤。電氣和物理連接性由可以連接到每個組件的一系列屬性來描述。在一個或多個設計中，可以根據需要經常訪問所有組件文件。因此，通常訪問的或標準的組件可以包含在其他更復雜的組件文件中。反過來，這些復雜的組件可以包含在后面的組件中，這樣設計人員就不需要“重新發(fā)明”經過驗證的和真實的方法。 

交互邏輯仿真。邏輯仿真工具運行在結構化邏輯設計上，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，活動可以在網絡中的其他工作站上不間斷地繼續(xù)。模擬器的圖形輸出，設計為熟悉的設計師，是類似示波器;波形以二進制、十六進制或八進制表表示。

由于這個應用程序直接使用來自邏輯設計的輸入，仿真程序運行起來相對容易，只需要幾個命令。該模擬器支持MOS和TTL邏輯，可以模擬邏輯門，RAM, ROM和PLA。此外，設計師可以單獨模擬設計的各個部分，甚至在設計完成之前，以便及早發(fā)現(xiàn)設計或性能缺陷。

互動時間驗證。時序驗證器是對邏輯模擬器的補充。當模擬器根據特定的邏輯值在一系列時鐘周期中分析電路設計時，定時驗證器決定電路是否在一個完整的時鐘周期中以指定的時鐘速度正常工作。由于數字邏輯電路特別容易受到時序誤差的影響，因此在原型建立之前消除這些誤差是非常有價值的。 

具體地說，定時校驗器通過一個時鐘周期跟蹤電路的每個信號路徑，通過將其分解成小的增量來增加周期的分辨率。驗證器報告每個計時錯誤，識別錯誤的性質和錯誤發(fā)生的具體引腳。時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”?！白兓北硎拘盘柼幱趶囊环N邏輯狀態(tài)到另一種邏輯狀態(tài)的轉換中，“穩(wěn)定”表示轉換完成。另一種格式是根據信號的實際邏輯值(1或0)以及它的上升和下降邊來描述信號。 

在定時驗證過程中，電路原理圖可以顯示在屏幕上，這樣就可以自動突出顯示包含錯誤的每個引腳的準確位置。此外，可以圖形化顯示特定的波形，以提高設計者對它們的時間關系的理解。 

電路仿真。這個應用程序，Mentor的伯克利SPICE程序的增強版，允許設計者交互地模擬電路。不像Idea 1000交互式模擬器，這個包允許直接從設計數據庫模擬電路。除了標準的Spice功能外，Mentor Spice還允許交互式圖形輸出來幫助解釋模擬。

項目溝通。項目通信應用程序提供了幾個命令，允許設計團隊的成員有效地相互通信。電子郵件設施，統(tǒng)稱為郵件系統(tǒng)，允許用戶在Idea 1000網絡系統(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的電子“郵箱”中來組織它們。 

項目文檔。設計用于幫助工程師創(chuàng)建技術規(guī)格和專業(yè)質量手冊，該包具有格式化和編輯功能，幾乎消除了對圖形藝術家和排字工人的需要。章節(jié)、圖形、表和頁面的自動枚舉以及目錄表的自動創(chuàng)建減少了創(chuàng)建項目文檔所涉及的文書工作。因為文檔系統(tǒng)與其他Idea 1000工具共享數據庫，所以設計文件中的圖形可以作為圖形包含在文檔中，每次設計更改時，圖形也會更新。 

Idea 1000的應用程序集成在一個一致的人機界面上。該界面為每個應用程序提供了類似的工作環(huán)境，并包括用于繪圖設計和控制圖形顯示的命令。靈活的人機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)。阿波羅計算機的虛擬存儲能力允許Idea 1000系統(tǒng)擴展到大型工作站網絡。高網絡速度提供了平滑、可靠的網絡擴展和令人印象深刻的功能成本比。 

結論

計算機輔助工程必須在所有的工程組織中扮演一個重要的角色，如果他們要在這個快速技術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率的提高，這些組織將無法在設計復雜性增加和產品營銷時間減少的趨勢中生存下來。