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“建模”（幾何模型），廣義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個數(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，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，就有必要在其前身上市之前開始開發(fā)新產(chǎn)品。這種“危險地帶”的趨勢給公司帶來了很大的風(fēng)險，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)束時達(dá)到所需的生產(chǎn)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(zhuǎn)時間,
• 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)建一個有效的CAE產(chǎn)品，我們必須考慮兩個因素:工程設(shè)計(jì)過程中的活動流程和設(shè)計(jì)工程師在該過程中每個活動上花費(fèi)的時間。研究表明，設(shè)計(jì)過程只占用工程師三分之一的時間。其他活動，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。 

一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)該將所有的工程活動集成到一個統(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(shè)計(jì)和文檔，而不會出現(xiàn)多終端分時環(huán)境所導(dǎo)致的嚴(yán)重退化。由于傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)分時配置在響應(yīng)時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)。使用這個智能圖形編輯系統(tǒng)，他可以創(chuàng)建一個設(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(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。

互動時間驗(yàn)證。時序驗(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鐘周期中分析電路設(shè)計(jì)時，定時驗(yàn)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(shù)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(yàn)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(yàn)證器報(bào)告每個計(jì)時錯誤，識別錯誤的性質(zhì)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(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，這樣就可以自動突出顯示包含錯誤的每個引腳的準(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)者對它們的時間關(guān)系的理解。 

電路仿真。這個應(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、表和頁面的自動枚舉以及目錄表的自動創(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，圖形也會更新。 

Idea 1000的應(yīng)用程序集成在一個一致的人機(jī)界面上。該界面為每個應(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重要的角色，如果他們要在這個快速技術(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)品營銷時間減少的趨勢中生存下來。