老莫

谈谈EDA技术(二)

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新年第一天,成都,薄雾轻霾。太阳比较无力的照在地上。

成都这地方呢,一般来说冬天只要有太阳就不会太冷。不像在北方城市的太阳是完全没有温度的。但是今天,成都的太阳确实没有体现出它的温度。2018年,我也就在这样一个略带寒意的一天中开始了新一年的工作。

由于去年啊,博文都过于长篇大论,导致“产量”不高。也不能满足各位读者老爷们的需求。作为一名负担了“校园网络文化建设”任务的网络名师,这确实显得有点失职了。

所以今年呢,我就准备用“短小精悍”的文章来多多更新博客,以便满足大家求知的需求。所以今天就2018年开年先来整一篇,继续谈谈EDA技术。在今后的几个星期里面呢,我将重点更新谈谈EDA技术这个系列。主要原因是1月21日-25日我就要去韩国济州岛参加EDA技术领域四大学术会议之一ASP-DAC(另外三大会议为ICCAD、DAC、DATE)。此次我电有两篇论文入选这个会议,当然,都是我们小组的文章。按照往常惯例呢,我参会完了回来一般要在博客里面汇报一下参会情况,所以现在就先需要科普科普EDA有关的知识,为后续会议报道做做准备。

铺垫完毕,正式开讲。

昏割线……………………………………………………………………………………………………………………………………

今天主要讲一讲EDA技术的起源。

如果去查百度或者Google 的话,多半会得到这样一个反馈:EDA技术起源于CAD技术。那什么又是CAD技术呢?CAD技术的全称是Computer Aided Design,也就是计算机辅助设计。其实就是用利用计算机技术,来帮助设计人员完成设计工作。从汽车外形到广告图案,从家具设计到电路板绘制,这样的专业软件举不胜举。

最早的电子系统CAD软件,其实和别的CAD软件一样,是绘图用的。电路制图属于工程制图的一个范畴,而且以前的电路设计里面除了电子元件还有机械元件。这也是为什么现在很多学校的电子信息类专业依然保留了“工程制图”这门课。不知道现在还有没有课程来讲如何画电路板,估计不同的学校设置不太一样。在绘制电路板的过程中有一个重要的过程就是要做原理图到真实芯片管脚的对于。因为在绘制原理图的时候,为了方便阅读和理解,原理图的管脚排布位置和实际芯片/元器件的引脚排布是有区别的。而在原理图绘制完成以后,CAD软件会通过元器件库中原理图和封装图的对应关系自动的导入器件引脚的连接关系。然后就按着这已经被连好的线路去布局布线吧。当然,后来的软件里面还多了一些自动的布局布线的功能。具体好不好用,我很多年没有用过了,对此不便评价。

CAD的概念一般都是停留在设计图纸的绘制上面。但是对于电路设计者而言,更为重要的是需要找到一种方法来确定自己所设计的电路是不是“对”的。这个“对”包括几个方面:功能是不是正常,性能能不能达到,有没有产生额外的损耗,会不会对其它电路/部件产生影响等等。但凡是电子信息类专业的学生应该都会学一门非常非常基础的基础课程“电路分析”(而今可能有点变化,好多学校把这部分内容和电子线路合并了……)。这门课很多同学学完了大概就觉得是闲得无事专门学了为了考试。但是我的电路分析老师在上第一次课的时候就总结了这门课的六字要点:加激励、求响应(关于这位老师的介绍可以看博客:http://blog.chinaaet.com/molf/p/29675)。但是为什么要加激励、求响应呢?这老师就没说了(或者是我说了没记住?)。其实求响应的过程就是对电路进行分析的过程,最终把一个复杂的电路内部各个节点的电压和电流对应变换关系分析清楚了,那么对于这个电路的性质也就了解了。在这一过程中电路设计是否满足的预期的要求,就可以通过对电路进行分析的方法来完成。一开始,这种方法都是依靠手酸完成的。但当电路规模大道一定程度以后,用手算显然就已经非常的繁琐了。做过电路分析考试题的同学都应该清楚,要想提高电路分析考试题的难度,多加几个受控源和感性/容性元件就可以了。换言之,我们需要一种软件用于电路的模拟分析和验证,从而帮助我们改善电路设计。而到了这个阶段,就脱离了传统意义上的CAD阶段而进入到了CAE(Computer Aided Engineering)阶段。

要实现对电路的模拟分析和验证,首先要对电路中的器件进行建模,其次将以器件形式表示的电路转换为以器件模型表示的电路,需要对这个电路模型进行快速的演算。如果我们回顾一下集成电路学术领域的发展史,我们会发现在集成电路发展的早期,集成电路学术圈里面的大牛们通常都有着非常强的器件建模能力和电路分析能力。而那一辈的大牛们,或多或少的都搞过CAE方向的研究。这是因为那时候还没有专门的商用CAE软件,在分析电路的过程中不得不自己去编点程序来做电路分析。我记得在我学习“电路分析”这门课程的时候,也是有实验课来将如何编程实现电路分析的。但是那个实验被安排在一个很破旧的实验机房里面,实验环境差实验课时短,所以也就随便做了做,完全没有留下更深刻的印象。

在1970年代的末期,由UC Berkeley大学的一帮师生为教学目的而研发了一套仿真软件,被称为Spice。 Spice的研究目的是为了做电路方程求解的时候,快速的做矩阵运算以方便能更快的解算出电路方程的结果。在这套软件的基础上,各大商用软件公司纷纷在外面加上了各种人机交互的图形化界面,推出了自己的电路仿真软件。至此,对于电路的仿真,尤其是在电气特性上的仿真已经进入了商用化阶段。标志着电子设计自动化正式进入了CAE的时代。

下期,我将介绍EDA时代的“曙光”如何来临的。