電子設計自動(dòng)化 (EDA) 是支持電子系統開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵行業(yè)。傳統上，EDA 分為兩個(gè)不同的市場(chǎng)部分：半導體設計和系統設計 (PCB)。如果回顧 1970 年代早期的 EDA 行業(yè)，就會(huì )發(fā)現半導體（布局）和系統 PCB（電路板布局）的物理設計具有顯著(zhù)的能力。自 1970 年代以來(lái)，EDA行業(yè)的經(jīng)濟一直與半導體行業(yè)緊密相連，特別是摩爾定律。因此，今天，半導體 EDA 業(yè)務(wù)包括綜合（自動(dòng)布局、布線(xiàn)、布局規劃）、驗證（形式化、仿真、仿真、硬件/軟件協(xié)同驗證）和 IP（使能、測試、內存控制器、驗證IP等）。

有趣的是，系統 PCB 的功能在很大程度上是相同的。也就是說(shuō)，PCB 物理設計工具（前 Allegro）繼續提供價(jià)值，并且肯定增加了提高信號完整性和先進(jìn)封裝的功能。然而，在系統 PCB 結構中處理更高級別功能（可編程結構、軟件、人工智能）的日益復雜的半導體的相對自動(dòng)化完全缺失。在本文中，我們將討論這種缺失功能的性質(zhì)、對市場(chǎng)的影響以及 EDA 將電子設計過(guò)程的半導體和系統部分連接起來(lái)。

系統PCB設計

圖 1：非消費類(lèi)的現代系統 PCB 設計流程

傳統上，半導體公司與其客戶(hù)之間的關(guān)系一直是客戶(hù)驅動(dòng)。在消費市場(chǎng)等非常大容量的市場(chǎng)中，來(lái)自半導體公司的大量員工與其系統同行合作，以有效地共同設計系統產(chǎn)品。

圖 2：系統 PCB 設計流程

對于非消費電子流程，電子設計步驟包括以下階段（圖1），

一.系統設計：在這個(gè)階段，高級系統設計師正在將他們的功能理念映射到關(guān)鍵電子元件。在選擇這些關(guān)鍵組件時(shí)，系統設計人員通常會(huì )根據以下考慮做出這些選擇：

1.這些組件是否符合我應用程序中的所有認證要求？

2.是否有一個(gè)軟件 (SW) 生態(tài)系統提供了如此多的價(jià)值，以至于我必須在特定的軟件架構中選擇硬件 (HW) 組件？

3.是否存在對我的應用程序至關(guān)重要的 AI/ML 組件，這意味著(zhù)選擇最適合我的最終應用程序的最佳硬件和軟件堆棧？

4.在可行性分析水平上，這些組件是否適合我的空間、功率和性能操作域。

5.觀(guān)察：這個(gè)階段決定了絕大多數即時(shí)成本和生命周期成本。

6.今天，這個(gè)設計階段在很大程度上是非結構化的，使用通用的個(gè)人生產(chǎn)力工具，如 Excel、Word、PDF（用于閱讀 200 多頁(yè)數據表），當然還有谷歌搜索。幾乎沒(méi)有 EDA 支持。

二.系統實(shí)施：在此階段，必須將系統設計中的關(guān)鍵組件細化為物理 PCB 設計。通常由組織內的電氣工程師推動(dòng)或由外部設計服務(wù)提供，這個(gè)設計階段有以下考慮因素：

1.PCB 管道：將關(guān)鍵組件的要求與 PCB 的外部面向方面相結合是此設計階段的工作。這通常涉及 PCB 的物理布局、定義電源/gnd/clk 架構以及任何信號級電氣工作。此階段還涉及部件選擇，但通常具有低復雜性（微控制器）和模擬性質(zhì)。今天，這一階段的設計得到了來(lái)自傳統 EDA 供應商（如 Cadence、Zuken 和 Mentor-Graphics）的物理設計、信號完整性和電氣仿真工具的良好支持。Mouser 和 Digikey 等公司的 Web 界面對 Part Selection 提供了相當好的支持。

2.啟動(dòng)架構：隨著(zhù)物理設計的整合，啟動(dòng)架構通常會(huì )通過(guò)電氣穩定性 (DC_OK)、可測試性、微代碼/fpga 加速，最后進(jìn)入實(shí)時(shí)操作系統。通常，與這項工作相關(guān)的是幫助調試 PCB 板的大量工具。所有這些功能的組合稱(chēng)為板級支持包 (BSP)。BSP 必須跨越系統 PCB 的所有抽象級別，所以今天，它們通常是從一個(gè)工具庫“拼湊”在一起的，其部件位于各種網(wǎng)站上。

該設計流程與 1980 年代的系統 PCB 流程形成鮮明對比，在 1980 年代，系統 PCB 的重點(diǎn)主要是構建功能。在那些日子里，用于構建功能的半導體具有中等復雜性，數據表的通信機制就足夠了。今天，系統 PCB 設計師的工作實(shí)際上是在復雜的硬件/軟件生態(tài)系統中管理復雜的結構（人工智能即將到來(lái)）。

事實(shí)上，技術(shù)信息交流的主要方法是在數據表和網(wǎng)站中進(jìn)行討論。此外，大多數非消費市場(chǎng)對長(cháng)生命周期 (LLC) 的要求與以消費者為中心的半導體鏈的核心不一致。

這更具有諷刺意味，因為EDA 公司的半導體產(chǎn)品實(shí)際上包含了系統 PCB EDA 同行所需的所有信息。

圖 3：半導體和 PCB 工具斷開(kāi)連接

缺少了什么？當今 EDA 基礎架構中的兩個(gè)基本缺陷：

1.半導體簽核流程：如今，EDA 工具支持非常強大的半導體簽核流程，將信息從半導體設計人員傳輸到制造商。但是，沒(méi)有將信息從半導體設計人員傳輸到系統設計人員的簽核流程。相反，這種通信接口是手動(dòng)的（大量編寫(xiě)數據表的人），缺乏深度標準（特定于工具的符號庫），并且隨意分布在各種渠道上。

2.系統 PCB 抽象層：當今的半導體不僅需要將物理層信息傳達給系統設計人員，還需要將 SW（以及越來(lái)越多的 AI）層中的各種級別的信息傳達給系統設計人員。事實(shí)上，該信息相對于物理層信息的價(jià)值正在增加。目前，雖然有大量的半導體硬件/軟件/行為 EDA 功能，但系統 PCB 空間中沒(méi)有等效的功能可以接受這些信息。

我們如何解決這個(gè)巨大的差距？讓我們考慮系統 PCB 抽象層。

構建系統 PCB 抽象層

抽象層可以大致分為四類(lèi)：

1.物理層或硬件抽象層：這與組件引出線(xiàn)、組件框圖和功能以及用于布局的 CAD 模型等有關(guān)。這是底層。

2.可編程或可配置層：隨著(zhù)半導體供應商推動(dòng)更深層次的集成，微控制器、FPGA、高度可編程的多功能芯片變得更加靈活。對于系統設計人員來(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)新的工具庫和嵌入式開(kāi)發(fā)的可能性。多種預置可配置選項的趨勢，更重要的是“可配置邏輯 (CL)”，它允許嵌入式程序員輕松添加自己的自定義功能，從簡(jiǎn)單的信號反相器到更復雜的曼徹斯特解碼器，CL 可以完全獨立于處理器運行核。這越來(lái)越為系統設計人員創(chuàng )造了一個(gè)非常重要的新抽象層次。

3.虛擬層或軟件抽象層：這包括整個(gè)軟件堆?！獜牟僮飨到y端口到驅動(dòng)程序到 BSP 到 IDE 環(huán)境和幫助最終應用程序開(kāi)發(fā)的庫。在許多終端市場(chǎng)中，大量的軟件 IP 是芯片選擇的驅動(dòng)因素。

4.人工智能抽象層：最后，鑒于對邊緣人工智能推理的關(guān)注以及圍繞視覺(jué)或通用數據處理的強大功能，支持的人工智能堆棧對于部件選擇和最終應用程序實(shí)施變得越來(lái)越重要。

然而，當涉及到這些抽象層對系統設計者的可用性時(shí)，情況不如人意：

連接半導體和系統 PCB 世界

如何解決這個(gè)問(wèn)題？?jì)蓚€(gè)簡(jiǎn)單的步驟：

1.智能系統設計器：系統 PCB EDA 流程必須支持由半導體設計流程生成和啟用的所有重要步驟。

2.正式簽署流程：半導體簽署流程需要在形式化、標準化和內容方面進(jìn)行擴展，以包括上述抽象。

這些簽核步驟的示例如下圖 4 所示。在這張圖片中，在半導體設計過(guò)程中完成的驗證以結構化的方式提供給系統設計人員。此外，機器可讀數據可以直接獲得，而不是通過(guò)數據表傳輸。

圖 4 Smart System Designer：連接半導體和 PCB/系統工具集

總體而言，EDA 公司有很好的機會(huì )利用他們的系統 PCB 和半導體能力為廣大的系統 PCB 客戶(hù)增加價(jià)值。