EDA的前世今生：1980年代的CAE工具

問(wèn)題的提出

日益強大和復雜的計算機輔助工程(CAE)工具無(wú)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)際應用之間的差距正在擴大:

• 對設計工程師的需求更大;
• 產(chǎn)品報廢速度快，縮短產(chǎn)品壽命;
• 由于產(chǎn)品復雜性的增加而增加產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間;
• 技術(shù)變革;
• 對優(yōu)質(zhì)產(chǎn)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(guò)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(zhù)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(shù)變化，又強大，能夠處理各種各樣的設計任務(wù)，并提高設計師的生產(chǎn)力和創(chuàng )造力。

許多有助于提高設計工程師生產(chǎn)力的技術(shù)進(jìn)步也有助于解決這一問(wèn)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(wù)。 

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?，廣義CAD即覆蓋了所有利用計算機進(jìn)行輔助設計的過(guò)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，我們認為，CAE 的關(guān)注點(diǎn)和出發(fā)點(diǎn)在于解決實(shí)際工程問(wèn)題，無(wú)論是電磁仿真分析還是流體受力分析等實(shí)際問(wèn)題在工程中都最終被抽象為了一個(gè)個(gè)數學(xué)方程，而得出仿真結果的過(guò)程就是求解數學(xué)問(wèn)題的過(guò)程。這一過(guò)程也凝聚了工程師的智慧輸出，所以說(shuō)CAE和工程結合最為緊密，同時(shí)門(mén)檻極高。
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CAE趨勢

微處理革命已經(jīng)導致了電子設備的能力和復雜性的急劇增長(cháng)。然而，伴隨這種增長(cháng)的是許多系統復雜性的大幅增加，這反過(guò)來(lái)導致了產(chǎn)品可靠性的降低和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的延長(cháng)?？煽啃越档褪且驗楫a(chǎn)品中出現缺陷的可能性更大;開(kāi)發(fā)時(shí)間會(huì )增加，因為產(chǎn)品包含更多可能失敗的部件。

多年來(lái)，平均產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間增加了，預計在這十年中將繼續大幅增加。與此同時(shí)，據估計，電子產(chǎn)品的壽命正在縮短。圖1說(shuō)明了這些趨勢;實(shí)線(xiàn)表示實(shí)際數字，虛線(xiàn)表示對不久的將來(lái)的估計。當兩條曲線(xiàn)交叉時(shí)，就有必要在其前身上市之前開(kāi)始開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。這種“危險地帶”的趨勢給公司帶來(lái)了很大的風(fēng)險，因為在新產(chǎn)品進(jìn)入設計階段之前，他們無(wú)法得到市場(chǎng)對舊產(chǎn)品的反饋。市場(chǎng)反饋為產(chǎn)品設計提供了至關(guān)重要的輸入——沒(méi)有市場(chǎng)反饋，企業(yè)就會(huì )失去很多創(chuàng )新機會(huì )。 

根據美國電子協(xié)會(huì )研究,電子工程師的短缺將會(huì )增加在1980年代之前,對工程師的需求超過(guò)了供應大約3比1的比例(見(jiàn)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)應該借鑒其他遇到類(lèi)似需求的行業(yè)。這些行業(yè)的許多公司通過(guò)增加資本設備支出達到了預期的生產(chǎn)率。電子工業(yè)本身已經(jīng)通過(guò)增加CAD設備的資本支出，極大地提高了生產(chǎn)力和物理布局過(guò)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)資本設備支出非常低，如圖3所示。對于電子行業(yè)來(lái)說(shuō)，要在這十年結束時(shí)達到所需的生產(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(jiàn)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(shí)間,
• 更大的產(chǎn)品創(chuàng )新,
• 更有效地響應設計變更
• 更高質(zhì)量的生產(chǎn)投入。

一個(gè)專(zhuān)為設計工程師設計的計算機輔助工程系統可以提供與成功的CAD布局系統相當的工程，提供電子工業(yè)已經(jīng)實(shí)現的許多好處。 

CAE工具

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

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

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

一個(gè)數據庫管理系統應該將所有的工程活動(dòng)集成到一個(gè)統一的CAE系統中。關(guān)聯(lián)性的數據庫管理系統（DBMS）提供了訪(fǎng)問(wèn)每個(gè)工具的通用方法，并確保了系統的靈活性。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、項目溝通能力和編程輔助。 

設計工具。CAE系統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(gè)數據庫表示，該數據庫可以被傳輸到外部物理設計系統;通過(guò)這個(gè)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(shí)序驗證程序。為了優(yōu)化生產(chǎn)力，系統應該能夠復制模型和共享設計。模擬器應該允許在門(mén)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系統中還需要工具來(lái)滿(mǎn)足其他項目的設計需求。例如，一個(gè)完整的技術(shù)文檔系統是必不可少的。該系統應直接與設計數據庫接口，以允許在文件中包括整個(gè)或部分的設計原理圖。

此外，CAE系統應該以電子郵件系統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(yǔ)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技術(shù)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。系統應該易于使用;一個(gè)構思良好的人機界面應該允許工程師通過(guò)分階段地接觸界面，在一天內學(xué)會(huì )使用CAE系統。每一天的經(jīng)驗都應該增加工程師對系統掌握的復雜性。 

物理配置。傳統的CAD系統采用分時(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系統必須鼓勵在大量工程師之間共享設計和文檔，而不會(huì )出現多終端分時(shí)環(huán)境所導致的嚴重退化。由于傳統的CAD系統分時(shí)配置在響應時(shí)間變得非常差以至于難以使用之前只能支持少數終端(見(jiàn)圖7)，CAE系統的最佳方法是分布式網(wǎng)絡(luò )。這樣的網(wǎng)絡(luò )結構需要獨立的計算機，作為網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)，通過(guò)高速通信鏈路相互連接。網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)可以共享資源，增加節點(diǎn)不會(huì )降低性能。 

最好和最靈活的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)是通用計算機，具有以下特點(diǎn):

• 一種多程序操作系統，以確保系統能隨工業(yè)需求而增長(cháng)；
• 32位專(zhuān)用CPU和虛擬內存，以滿(mǎn)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(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，因此節點(diǎn)可以輕松地添加到網(wǎng)絡(luò )中，而無(wú)需對系統軟件進(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(lèi)似大型機的能力。此外，該軟件是面向多處理的，以滿(mǎn)足項目設計團隊的需要。 

數據庫管理系統。以Idea軟件為中心的關(guān)系數據庫有兩個(gè)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(wǎng)絡(luò )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、歸檔和系統配置。此外，并發(fā)性和版本控制系統確保工程師能夠訪(fǎng)問(wèn)設計的最新版本，一個(gè)用戶(hù)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(shí)訪(fǎng)問(wèn)。 

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。由于系統的圖形用戶(hù)界面，設計師不再需要紙和筆來(lái)創(chuàng )建和修改邏輯/電路設計(見(jiàn)圖9)。使用這個(gè)智能圖形編輯系統，他可以創(chuàng )建一個(gè)設計，一直到原始單元級別。該系統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(gè)組件的一系列屬性來(lái)描述。在一個(gè)或多個(gè)設計中，可以根據需要經(jīng)常訪(fǎng)問(wèn)所有組件文件。因此，通常訪(fǎng)問(wèn)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(guò)來(lái)，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(jīng)過(guò)驗證的和真實(shí)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(dòng)可以在網(wǎng)絡(luò )中的其他工作站上不間斷地繼續。模擬器的圖形輸出，設計為熟悉的設計師，是類(lèi)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)應用程序直接使用來(lái)自邏輯設計的輸入，仿真程序運行起來(lái)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(mén)，RAM, ROM和PLA。此外，設計師可以單獨模擬設計的各個(gè)部分，甚至在設計完成之前，以便及早發(fā)現設計或性能缺陷。

互動(dòng)時(shí)間驗證。時(shí)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(shí)鐘周期中分析電路設計時(shí)，定時(shí)驗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(shuō)，定時(shí)校驗器通過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期跟蹤電路的每個(gè)信號路徑，通過(guò)將其分解成小的增量來(lái)增加周期的分辨率。驗證器報告每個(gè)計時(shí)錯誤，識別錯誤的性質(zhì)和錯誤發(fā)生的具體引腳。時(shí)序特性以?xún)煞N基本格式之一表示，第一種描述信號為“變化的”或“穩定的”?！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，“穩定”表示轉換完成。另一種格式是根據信號的實(shí)際邏輯值(1或0)以及它的上升和下降邊來(lái)描述信號。 

在定時(shí)驗證過(guò)程中，電路原理圖可以顯示在屏幕上，這樣就可以自動(dòng)突出顯示包含錯誤的每個(gè)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(shí)間關(guān)系的理解。 

電路仿真。這個(gè)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(gè)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(lái)幫助解釋模擬。

項目溝通。項目通信應用程序提供了幾個(gè)命令，允許設計團隊的成員有效地相互通信。電子郵件設施，統稱(chēng)為郵件系統，允許用戶(hù)在Idea 1000網(wǎng)絡(luò )系統上與其他用戶(hù)交換消息;用戶(hù)還可以通過(guò)將收到的信息歸檔到單獨的電子“郵箱”中來(lái)組織它們。 

項目文檔。設計用于幫助工程師創(chuàng )建技術(shù)規格和專(zhuān)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、圖形、表和頁(yè)面的自動(dòng)枚舉以及目錄表的自動(dòng)創(chuàng )建減少了創(chuàng )建項目文檔所涉及的文書(shū)工作。因為文檔系統與其他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(shí)，圖形也會(huì )更新。 

Idea 1000的應用程序集成在一個(gè)一致的人機界面上。該界面為每個(gè)應用程序提供了類(lèi)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(xiàn)幫助和教程系統使用戶(hù)能夠快速、輕松地掌握系統。阿波羅計算機的虛擬存儲能力允許Idea 1000系統擴展到大型工作站網(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(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(méi)有CAE工作站帶來(lái)的工程生產(chǎn)率的提高，這些組織將無(wú)法在設計復雜性增加和產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)時(shí)間減少的趨勢中生存下來(lái)。