[讨论] 浅谈IC设计领域中的EDA现状和趋势

EDA是英文”electronic design automation”的简称，中文名为电子设计自动化。它是在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。 EDA技术就是依赖计算机作为硬件平台，以大规模可编程逻辑器件及集成电路为设计载体，设计者在EDA软件平台上，使用以描述硬件电路的功能，信号连接关系及定时关系的语言HDL（即硬件描述语言）完成文件设计，再经由计算机自动地完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、优化、布局布线、以及逻辑优化和仿真测试，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门技术。 EDA技术的出现，适应了现代电子产品的设计要求，并形成了吸收多学科最新成果而形成的一门技术。它促进现代电子产品以前所未有的革新速度，朝功能多样化、体积最小化、功耗最低化的方向快速发展。 EDA的现状和发展 EDA技术所涉及的内容较多，较广泛，但可大体分为四个方面的内容：1，大规模可编程逻辑器件；2，硬件描述语言；3，软件开发工具；4，实验开发系统。其中，大规模可编程逻辑器件（CPLD /FPGA）、硬件描述语言（VHDL、Verilog、ABEL、AHDL）、软件开发工具由国际著名公司Altera（MAX+plusⅡ）、Lattice(ispEXPERT)、Xilinx(Foundation Series)等提供，开发实验系统则可以自行设计，主要提供可编程逻辑器件的下载电路及EDA实验开发的外围资源，供硬件验证用。 CPLD/FPGA的现状与趋势 CPLD是复杂可编程器件的简称，FPGA是现场可编程逻辑器件的简称。目前涉及到CPLD/FPGA的厂家在世界上有十几家，最大的三家是：ALTERA,XILINX，LATTICE。其中ALTERA和XILINX（赛灵思）占有了60%以上的市场份额。XILIXN：FPGA的发明者，老牌FPGA公司，是最大可编程制造商。 CPLD/FPGA是80年代中后期出现的，其最大的特点是具有用户可编程的特性。即利用两者的静态可重复编程或在线动态重构特性，可通过软件编程对其器件的结构和工作方式进行重构，能随时进行设计调整而满足产品升级，并极大地提高了电子系统的灵活性和通用能力。利用PLD/FPGA，设计者可以在实验室中设计出专用IC，实现系统的集成，从而大大缩短了产品开发周期，加速产品上市的时间，为产品抢占市场赢得时间。 CPLD/FPGA的应用范围广泛，能用于数字示波器、视频编解码器、视频信号运动检测、模糊控制、快速傅立叶变换FFT的设计、语音信号的处理和数字信号处理等各个方面。 半导体技术的迅猛发展，尤其是半导体工艺技术的发展，使得以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展：世界上首款FPGA——XC2064在1985年诞生之初只有不超过1000门，到现在由著名厂商Altera公司、Xilinx公司又陆续推出了数百万门的单片FPGA芯片，单片机FPGA已经突破上千万门，系统工作频率达到几百MHz。可谓将现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平。 在技术研究方面，赛灵思与东芝就共同开发下一代65nm级FPGA达成协议，并生产出65nm FPGA原型晶圆。据最新消息，赛灵思的65nm的Virtex?-5的存储器控制器(如图所示)已经实现了量产，并且Virtex?-5 FPGA器件已顺利实现了与领先存储器供应商的800 Mbps DDR3 SDRAM器件的互操作性。此外，赛灵思还将与东芝协商就45nm FPGA开发进行继续合作的可能性，该公司正在进行45nm FPGA开工作。在基于90nm工艺方面，基于90nm工艺的FPGA器件在高性能处理能力和系统集成度方面获得大幅提升，业界出现ASIC设计项目减少的趋势。 在市场方面，FPGA的设计灵活性和不断增强的性能使可编程逻辑器件厂商获得了显著的市场增长，市场占有率不断提高。Gartner Dataquest公布的分析报告还显示： 2006年，ASIC和FPGA/PLD预增长率将分别达到8.3%和13.4%，FPGA的发展速度明显高于ASIC。可以预见的是，目前尽管ASIC的销售仍占IC销售收入的主体，但FPGA的低成本、设计灵活性的先天优势，以及更先进的工艺技术，和用FPGA进行开发时间比ASIC缩短约55%，这都使得FPGA可能成为未来的主流器件。 总的来说，FPGA的主要发展动向是：1，系统设计进入“片上可编程系统”（SOPC）的时代；2，芯片朝着高密度、低压、低功耗、大规模集成方向挺进；3，采用深亚微米的半导体工艺后，器件在性能提高的同时，价格也在逐步降低。典型的如Philips Semiconductors推出的 CoolRunner 960，是一种具有960个宏单元的CPLD，无论在何种应用中，都能提供标准的6ns传输延迟、工作于3v的电压下。该器件低功耗在当其它的相等规模的CPLD需要消耗250mA的静电流时，CoolRunner 960的耗电不到100mA。3，IP数据库越来越大，以满足市场的需求；4， FPGA动态可重构技术的开拓，将推动数字系统设计观念的巨大转变。 硬件描述语言的现状和趋势 目前，硬件描述语言种类比较多，每种语言都各有优势和不足，还没有形形以哪种语言为主体的定论。常见的有VHDL、Superlog、Verilog、SystemC、Cynlib C++、C Level等等。 相对而言，HDL和C/C++语言在设计流程中实现级和系统级都具有各自的用武之地。但在系统级和实现级相连接的地方：使用何种语言，目前言论尚早。 我们从在2001年举行的国际HDL会议上或者可以得出一些结论，与会者就如果要启动一个芯片设计项目，他们愿意选择哪种方案作出选择?结果，仅有2票或3票赞成使用SystemC、Cynlib和C Level设计；而Superlog和Verilog各自获得了约20票。 就各种硬件描述语言，笔者认为： Verilog拥有的历史较长，设计群体比较多；SystemC能够以开放式C++扩展语言的形式，利用标准软件语言并添加结构性和系统性功能，处理硬件和软件的协同设计和集成。因此作为一种系统级设计与验证语言，非常适合做复杂IC的验证；而Superlog则是Verilog的扩展，可以在整个设计流程中仅提供一种语言和一个仿真器，与现有的方法兼容，是结合了高级语言C、C++甚至Java等语言的特点，进行扩展的一种新的系统级设计语言。 在上面的讨论中，并没有提及模拟设计。如果想设计带有模拟电路的芯片，硬件描述语言必须有模拟扩展部分，像Verilog HDL-A，既要求能够描述门级开关级，又要求具有描述物理特性的能力。 软件开发工具和实验开发系统 为了提高设计效率,优化设计结果，很多厂家提供了各种专业软件,用以配合PLD/FPGA芯片厂家提供工具进行更效率的设计，最常见的组合是：同时使用专业HDL逻辑综合软件和PLD/FPGA芯片提供的软件。并且，厂家还不断地对软件进行升级，以便使开发更加容易，效率更高。 结束语 EDA设计现在已经成为电子设计者的工作手段，尤其是在IC设计领域中，EDA软件与计算机已居于主导地位。各大公司借助半导体技术的发展，把工艺制造由2μm提升到65nm，如XC2064就是采用2μm，Virtex?-5存储控制器采用的是65nm制造，可谓是进展神速，一路走来，FPGA在不断地紧跟并推动着半导体工艺的进步——2001年采用150nm工艺、2002年采用130nm工艺，2003年采用90nm工艺，2006年采用65nm工艺。同时，FPGA不断地朝着低功耗方面发展。虽然对FPGA有利的发展因素很多，但从上面所述中可知，其所使用的硬件描述语言方面并没有统一，这或许成为阻碍FPGA飞速发展的障碍之一。