Tự động hóa Thiết kế Điện tử, hay EDA, là một phân khúc thị trường bao gồm phần mềm, phần cứng và dịch vụ với mục tiêu chung là hỗ trợ việc xác định, lập kế hoạch, thiết kế, triển khai, kiểm tra và sản xuất tiếp theo các thiết bị bán dẫn hoặc chip. Về sản xuất các thiết bị này, nhà cung cấp dịch vụ chính là các xưởng đúc bán dẫn (fab). Các cơ sở phức tạp và tốn kém này thường do các công ty bán dẫn lớn, tích hợp theo chiều dọc sở hữu và vận hành, hoặc hoạt động như các nhà cung cấp dịch vụ sản xuất độc lập, "thuần túy". Loại hình sau này đã trở thành mô hình kinh doanh chủ đạo.

Mặc dù các giải pháp EDA không liên quan trực tiếp đến việc sản xuất chip, nhưng chúng đóng vai trò quan trọng theo ba cách. Thứ nhất, các công cụ EDA được sử dụng để thiết kế và xác thực quy trình sản xuất chất bán dẫn nhằm đảm bảo nó đạt được hiệu suất và mật độ cần thiết. Phân khúc này của EDA được gọi là thiết kế hỗ trợ máy tính, hay TCAD .

Thứ hai, các công cụ EDA được sử dụng để xác minh rằng thiết kế sẽ đáp ứng tất cả các yêu cầu của quy trình sản xuất. Những thiếu sót trong lĩnh vực này có thể khiến chip thành phẩm không hoạt động hoặc hoạt động ở công suất giảm. Ngoài ra còn có những rủi ro về độ tin cậy. Trọng tâm này được gọi là thiết kế để sản xuất, hay DFM.

Lĩnh vực thứ ba tương đối mới. Sau khi chip được sản xuất, nhu cầu giám sát hiệu suất của thiết bị từ khâu kiểm tra hậu sản xuất đến triển khai thực tế ngày càng tăng. Mục tiêu của việc giám sát này là đảm bảo thiết bị tiếp tục hoạt động như mong đợi trong suốt vòng đời và không bị can thiệp. Ứng dụng thứ ba này được gọi là quản lý vòng đời silicon, hay SLM .

Một phân khúc thị trường khác gắn liền chặt chẽ với EDA là sở hữu trí tuệ bán dẫn, hay IP bán dẫn. Phân khúc thị trường này cung cấp các mạch được thiết kế sẵn với độ phức tạp khác nhau, có thể được sử dụng nguyên trạng hoặc điều chỉnh cho một ứng dụng cụ thể. IP bán dẫn cho phép thiết kế các chip cực kỳ phức tạp trong thời gian ngắn hơn nhiều vì nhiều công việc thiết kế hiện có có thể được tái sử dụng. Do sự phụ thuộc mạnh mẽ của việc sử dụng và tái sử dụng IP vào các công cụ EDA, hai thị trường này thường được xem là một. 

EDA hoạt động như thế nào?

Tự động hóa Thiết kế Điện tử chủ yếu là một ngành kinh doanh phần mềm. Các chương trình phần mềm rất phức tạp và tinh vi hoạt động chủ yếu theo một trong ba cách sau để hỗ trợ thiết kế và sản xuất chip:

• Các công cụ mô phỏng sẽ mô tả mạch được đề xuất và dự đoán hành vi của mạch đó trước khi triển khai.
• Các công cụ thiết kế lấy mô tả về chức năng mạch được đề xuất và lắp ráp tập hợp các thành phần mạch thực hiện chức năng đó. Đây vừa là một quy trình logic (lắp ráp và kết nối các thành phần mạch) vừa là một quy trình vật lý (tạo ra các hình dạng hình học được kết nối với nhau để thực hiện mạch trong quá trình sản xuất). Các công cụ này được cung cấp dưới dạng kết hợp giữa các khả năng hoàn toàn tự động và được hướng dẫn tương tác.
• Các công cụ xác minh sẽ kiểm tra biểu diễn logic hoặc vật lý của chip để xác định xem thiết kế kết quả có được kết nối chính xác và có mang lại hiệu suất mong muốn hay không.

Mặc dù hầu hết các sản phẩm EDA được cung cấp dưới dạng phần mềm, nhưng có một số trường hợp phần cứng vật lý cũng được sử dụng để cung cấp các chức năng. Phần cứng thường được sử dụng khi cần hiệu suất cực cao. Điều này xảy ra khi cần xử lý một lượng lớn dữ liệu trong quá trình mô phỏng và kiểm chứng. Trong mọi trường hợp, một mô hình phần cứng chuyên dụng của mạch sẽ hoạt động nhanh hơn nhiều so với một chương trình phần mềm thực thi cùng một mô hình. Sự gia tăng đáng kể về tốc độ này thường được yêu cầu để hoàn thành nhiều tác vụ khác nhau trong khoảng thời gian hợp lý (từ vài giờ đến vài ngày so với vài tuần đến vài tháng). Hai phương tiện phân phối chính cho phần cứng EDA là mô phỏng và tạo mẫu nhanh.

Các loại công cụ EDA

Mô phỏng

Các công cụ mô phỏng lấy mô tả về mạch đề xuất và dự đoán hành vi của nó trước khi triển khai. Mô tả này thường được trình bày bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng tiêu chuẩn như Verilog hoặc VHDL. Các công cụ mô phỏng mô hình hóa hành vi của các thành phần mạch ở nhiều mức độ chi tiết khác nhau và thực hiện các phép toán khác nhau để dự đoán hành vi kết quả của mạch. Mức độ chi tiết cần thiết được quyết định bởi loại mạch được thiết kế và mục đích sử dụng của nó. Nếu phải xử lý một lượng dữ liệu đầu vào rất lớn, các phương pháp phần cứng như mô phỏng hoặc tạo mẫu nhanh sẽ được sử dụng. Những tình huống này xảy ra khi hệ điều hành của bộ xử lý phải chạy trên các tình huống thực tế, chẳng hạn như xử lý video. Nếu không có phương pháp hỗ trợ phần cứng, thời gian chạy cho những trường hợp này có thể không đủ để duy trì.

Thiết kế

Các công cụ thiết kế lấy mô tả về chức năng mạch được đề xuất và lắp ráp tập hợp các phần tử mạch thực hiện chức năng đó. Quá trình lắp ráp này có thể là một quá trình logic, trong đó các phần tử mạch chính xác được lựa chọn và kết nối với nhau để thực hiện chức năng mong muốn. Tổng hợp logic là một ví dụ về quá trình này. Nó cũng có thể là một quá trình vật lý, trong đó các hình dạng hình học thực hiện mạch trong silicon được lắp ráp, đặt và định tuyến lại với nhau. Quá trình này được gọi chung là đặt và định tuyến. Nó cũng có thể ở dạng một quá trình tương tác được hướng dẫn bởi một nhà thiết kế. Đây được gọi là bố cục tùy chỉnh.

Xác minh

Các công cụ xác minh kiểm tra biểu diễn logic hoặc vật lý của chip để xác định xem thiết kế kết quả có được kết nối chính xác và sẽ mang lại hiệu suất mong muốn hay không. Có nhiều quy trình có thể được sử dụng ở đây. Xác minh vật lý kiểm tra các hình học được kết nối để đảm bảo vị trí của chúng tuân thủ các yêu cầu sản xuất của nhà máy. Các yêu cầu này đã trở nên rất phức tạp và có thể bao gồm hơn 10.000 quy tắc. Xác minh cũng có thể ở dạng so sánh mạch đã triển khai với mô tả ban đầu để đảm bảo nó phản ánh trung thực chức năng được yêu cầu . Bố cục so với sơ đồ, hoặc LVS , là một ví dụ về quy trình này. Xác minh chức năng của chip cũng có thể sử dụng công nghệ mô phỏng để so sánh hành vi thực tế với hành vi mong đợi. Các phương pháp này bị hạn chế bởi tính đầy đủ của kích thích đầu vào được cung cấp. Một phương pháp khác là xác minh hành vi của mạch theo thuật toán, mà không cần kích thích đầu vào. Phương pháp này được gọi là kiểm tra tương đương và là một phần của một chuyên ngành được gọi là xác minh hình thức.

Lịch sử của EDA

EDA ban đầu là một năng lực độc quyền. Trước khi EDA trở thành một phân khúc thị trường, các OEM lớn, tích hợp theo chiều dọc đã vận hành năng lực thiết kế và sản xuất chip độc quyền. Các tổ chức này sử dụng đội ngũ kỹ sư phần mềm hùng hậu để phát triển các công cụ cần thiết nhằm tự động hóa thiết kế, triển khai và kiểm chứng chip được sản xuất. Trong trường hợp này, toàn bộ hoạt động sản xuất chip được các OEM sử dụng để tích hợp vào sản phẩm của riêng họ.

Bell Laboratories, Texas Instruments, Intel, RCA, General Electric, Sony và Sharp là những ví dụ điển hình. Sự ra đời của các công cụ EDA thương mại về cơ bản diễn ra qua ba giai đoạn.

Giai đoạn đầu tiên bắt đầu vào những năm 1960 và chứng kiến ​​sự sẵn có thương mại của các hệ thống thiết kế đồ họa tương tác hỗ trợ máy tính. Các hệ thống này nhắm mục tiêu vào nhiều thị trường, bao gồm bản đồ, thiết kế cơ khí và kiến ​​trúc. Các hệ thống này cũng được sử dụng cho thiết kế tương tác của các bố trí mạch tích hợp . Ba công ty chính dẫn đầu giai đoạn này là Applicon, Calma và Computervision. Điều thú vị cần lưu ý là trong những ngày đầu này, Calma đã phát triển một định dạng để biểu diễn các bố trí IC được gọi là GDS, được đặt theo tên sản phẩm của họ, Hệ thống Thiết kế Đồ họa. Phiên bản GDS II của định dạng này tiếp tục được sử dụng làm định dạng thực tế để truyền đạt thông tin bố trí IC trong nhiều thập kỷ. Giai đoạn này của ngành được gọi là CAD/CAM (thiết kế hỗ trợ máy tính/sản xuất hỗ trợ máy tính).

Giai đoạn thứ hai của EDA bắt đầu vào đầu những năm 1980. Một điều khá quan trọng đã xảy ra trong thời gian này - ngành công nghiệp mạch tích hợp ứng dụng thương mại cụ thể, hay ASIC , cũng ra đời. Với sự xuất hiện của ngành công nghiệp ASIC, các chip tùy chỉnh trước đây dành riêng cho các OEM hệ thống rất lớn giờ đây đã nằm trong tầm tay của nhiều nhóm thiết kế hơn. Điều này đã khởi đầu cho cuộc cách mạng bán dẫn vẫn tiếp tục cho đến ngày nay. Các công ty ASIC ban đầu bao gồm LSI Logic và VLSI Technology. Với thị trường mới này, nhu cầu về các công cụ để tự động hóa mô phỏng, thiết kế và xác minh chip trở nên phổ biến hơn nhiều. Sự phát triển này đã tạo ra nhiều công ty mới để phục vụ nhu cầu này. Rất nhiều nhóm nội bộ, bị giam cầm tại các OEM lớn đã tìm thấy công việc mới, thú vị và sinh lợi trong thị trường mới này và do đó ngành công nghiệp EDA thương mại bắt đầu phát triển.

Trong giai đoạn này, trọng tâm chính là phần mềm và một số phần cứng chuyên dụng để nắm bắt mô tả thiết kế và mô phỏng nó. Ba công ty chính dẫn đầu giai đoạn này là Daisy Systems, Mentor Graphics và Valid Logic. Giai đoạn này được gọi là CAE (kỹ thuật hỗ trợ máy tính).

Vào cuối những năm 1980, ngành công nghiệp EDA bắt đầu trưởng thành khi giai đoạn thứ ba của nó bắt đầu. Các công ty sản xuất dụng cụ cầm tay được thay thế bằng các nhà cung cấp đa dạng sản phẩm phần mềm và phần cứng, hướng đến việc tự động hóa phần lớn quy trình thiết kế vi mạch. Ba công ty dẫn đầu giai đoạn này là Synopsys, Cadence và Mentor (nay là Siemens EDA). Giai đoạn này chứng kiến ​​sự ra đời của thuật ngữ EDA (tự động hóa thiết kế điện tử). Ngày nay, nhiều người vẫn đồng nhất mình với giai đoạn này của ngành. Ba công ty dẫn đầu vẫn giữ nguyên như cũ.

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn, nhu cầu về một nền tảng công cụ và công nghệ lớn hơn đang gia tăng, có thể báo hiệu giai đoạn phát triển tiếp theo của ngành.

Tại sao EDA lại quan trọng?

Chip bán dẫn cực kỳ phức tạp. Các thiết bị hiện đại có thể chứa hơn một tỷ thành phần mạch. Tất cả các thành phần này có thể tương tác với nhau theo những cách tinh tế, và sự thay đổi trong quy trình sản xuất có thể tạo ra những tương tác và thay đổi tinh vi hơn về hành vi.

Đơn giản là không có cách nào để quản lý mức độ phức tạp này nếu không có tự động hóa tinh vi, và EDA cung cấp công nghệ quan trọng này. Nếu không có nó, việc thiết kế và sản xuất các thiết bị bán dẫn ngày nay sẽ không thể thực hiện được.

Cũng cần lưu ý rằng chi phí cho một lỗi trong chip sản xuất có thể rất thảm khốc. Lỗi chip không thể được "vá". Toàn bộ chip phải được thiết kế lại và sản xuất lại. Thời gian và chi phí cho quá trình này thường quá dài và tốn kém, dẫn đến thất bại của toàn bộ dự án. Vì vậy, việc thiết kế chip rất phức tạp và đòi hỏi phải thực hiện một cách hoàn hảo.

Nếu không có công cụ EDA, những thách thức này không thể giải quyết được.