電子設(shè)計自動化 (EDA) 是支持電子系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵行業(yè)。傳統(tǒng)上，EDA 分為兩個不同的市場部分：半導(dǎo)體設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計 (PCB)。如果回顧 1970 年代早期的 EDA 行業(yè)，就會發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體（布局）和系統(tǒng) PCB（電路板布局）的物理設(shè)計具有顯著的能力。自 1970 年代以來，EDA行業(yè)的經(jīng)濟(jì)一直與半導(dǎo)體行業(yè)緊密相連，特別是摩爾定律。因此，今天，半導(dǎo)體 EDA 業(yè)務(wù)包括綜合（自動布局、布線、布局規(guī)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(nèi)存控制器、驗證IP等）。

有趣的是，系統(tǒng) PCB 的功能在很大程度上是相同的。也就是說，PCB 物理設(shè)計工具（前 Allegro）繼續(xù)提供價值，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(tǒng) PCB 結(jié)構(gòu)中處理更高級別功能（可編程結(jié)構(gòu)、軟件、人工智能）的日益復(fù)雜的半導(dǎo)體的相對自動化完全缺失。在本文中，我們將討論這種缺失功能的性質(zhì)、對市場的影響以及 EDA 將電子設(shè)計過程的半導(dǎo)體和系統(tǒng)部分連接起來。

系統(tǒng)PCB設(shè)計

圖 1：非消費(fèi)類的現(xiàn)代系統(tǒng) PCB 設(shè)計流程

傳統(tǒng)上，半導(dǎo)體公司與其客戶之間的關(guān)系一直是客戶驅(qū)動。在消費(fèi)市場等非常大容量的市場中，來自半導(dǎo)體公司的大量員工與其系統(tǒng)同行合作，以有效地共同設(shè)計系統(tǒng)產(chǎn)品。

圖 2：系統(tǒng) PCB 設(shè)計流程

對于非消費(fèi)電子流程，電子設(shè)計步驟包括以下階段（圖1），

一.系統(tǒng)設(shè)計：在這個階段，高級系統(tǒng)設(shè)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，系統(tǒng)設(shè)計人員通常會根據(jù)以下考慮做出這些選擇：

1.這些組件是否符合我應(yīng)用程序中的所有認(rèn)證要求？

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

3.是否存在對我的應(yīng)用程序至關(guān)重要的 AI/ML 組件，這意味著選擇最適合我的最終應(yīng)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.觀察：這個階段決定了絕大多數(shù)即時成本和生命周期成本。

6.今天，這個設(shè)計階段在很大程度上是非結(jié)構(gòu)化的，使用通用的個人生產(chǎn)力工具，如 Excel、Word、PDF（用于閱讀 200 多頁數(shù)據(jù)表），當(dāng)然還有谷歌搜索。幾乎沒有 EDA 支持。

二.系統(tǒng)實施：在此階段，必須將系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵組件細(xì)化為物理 PCB 設(shè)計。通常由組織內(nèi)的電氣工程師推動或由外部設(shè)計服務(wù)提供，這個設(shè)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(jié)合是此設(shè)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(gòu)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(fù)雜性（微控制器）和模擬性質(zhì)。今天，這一階段的設(shè)計得到了來自傳統(tǒng) EDA 供應(yīng)商（如 Cadence、Zuken 和 Mentor-Graphics）的物理設(shè)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(dāng)好的支持。

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

該設(shè)計流程與 1980 年代的系統(tǒng) PCB 流程形成鮮明對比，在 1980 年代，系統(tǒng) PCB 的重點(diǎn)主要是構(gòu)建功能。在那些日子里，用于構(gòu)建功能的半導(dǎo)體具有中等復(fù)雜性，數(shù)據(jù)表的通信機(jī)制就足夠了。今天，系統(tǒng) PCB 設(shè)計師的工作實際上是在復(fù)雜的硬件/軟件生態(tài)系統(tǒng)中管理復(fù)雜的結(jié)構(gòu)（人工智能即將到來）。

事實上，技術(shù)信息交流的主要方法是在數(shù)據(jù)表和網(wǎng)站中進(jìn)行討論。此外，大多數(shù)非消費(fèi)市場對長生命周期 (LLC) 的要求與以消費(fèi)者為中心的半導(dǎo)體鏈的核心不一致。

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

圖 3：半導(dǎo)體和 PCB 工具斷開連接

缺少了什么？當(dāng)今 EDA 基礎(chǔ)架構(gòu)中的兩個基本缺陷：

1.半導(dǎo)體簽核流程：如今，EDA 工具支持非常強(qiáng)大的半導(dǎo)體簽核流程，將信息從半導(dǎo)體設(shè)計人員傳輸?shù)街圃焐?。但是，沒有將信息從半導(dǎo)體設(shè)計人員傳輸?shù)较到y(tǒng)設(shè)計人員的簽核流程。相反，這種通信接口是手動的（大量編寫數(shù)據(jù)表的人），缺乏深度標(biāo)準(zhǔn)（特定于工具的符號庫），并且隨意分布在各種渠道上。

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

我們?nèi)绾谓鉀Q這個巨大的差距？讓我們考慮系統(tǒng) PCB 抽象層。

構(gòu)建系統(tǒng) PCB 抽象層

抽象層可以大致分為四類：

1.物理層或硬件抽象層：這與組件引出線、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：隨著半導(dǎo)體供應(yīng)商推動更深層次的集成，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(tǒng)設(shè)計人員來說，這意味著新的工具庫和嵌入式開發(fā)的可能性。多種預(yù)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，從簡單的信號反相器到更復(fù)雜的曼徹斯特解碼器，CL 可以完全獨(dú)立于處理器運(yùn)行核。這越來越為系統(tǒng)設(shè)計人員創(chuàng)造了一個非常重要的新抽象層次。

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

4.人工智能抽象層：最后，鑒于對邊緣人工智能推理的關(guān)注以及圍繞視覺或通用數(shù)據(jù)處理的強(qiáng)大功能，支持的人工智能堆棧對于部件選擇和最終應(yīng)用程序?qū)嵤┳兊迷絹碓街匾?/span>

然而，當(dāng)涉及到這些抽象層對系統(tǒng)設(shè)計者的可用性時，情況不如人意：

連接半導(dǎo)體和系統(tǒng) PCB 世界

如何解決這個問題？兩個簡單的步驟：

1.智能系統(tǒng)設(shè)計器：系統(tǒng) PCB EDA 流程必須支持由半導(dǎo)體設(shè)計流程生成和啟用的所有重要步驟。

2.正式簽署流程：半導(dǎo)體簽署流程需要在形式化、標(biāo)準(zhǔn)化和內(nèi)容方面進(jìn)行擴(kuò)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(dǎo)體設(shè)計過程中完成的驗證以結(jié)構(gòu)化的方式提供給系統(tǒng)設(shè)計人員。此外，機(jī)器可讀數(shù)據(jù)可以直接獲得，而不是通過數(shù)據(jù)表傳輸。

圖 4 Smart System Designer：連接半導(dǎo)體和 PCB/系統(tǒng)工具集

總體而言，EDA 公司有很好的機(jī)會利用他們的系統(tǒng) PCB 和半導(dǎo)體能力為廣大的系統(tǒng) PCB 客戶增加價值。