ระบบออกแบบอัตโนมัติทางอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Design Automation หรือ EDA) เป็นกลุ่มตลาดที่ครอบคลุมซอฟต์แวร์ ฮาร์ดแวร์ และบริการต่างๆ โดยมีเป้าหมายโดยรวมเพื่อสนับสนุนการระบุ การวางแผน การออกแบบ การนำไปใช้งาน การตรวจสอบ และการผลิตอุปกรณ์หรือชิปเซมิคอนดักเตอร์ในภายหลัง ในแง่ของการผลิตอุปกรณ์เหล่านี้ ผู้ให้บริการหลักคือโรงหล่อเซมิคอนดักเตอร์ (fabs) ซึ่งโรงงานที่ซับซ้อนและมีราคาแพงเหล่านี้มักเป็นเจ้าของและดำเนินการโดยบริษัทเซมิคอนดักเตอร์ขนาดใหญ่ที่บูรณาการในแนวตั้ง หรือดำเนินงานในฐานะผู้ให้บริการด้านการผลิตแบบ “เพียวเพลย์” อิสระ ซึ่ง EDA ได้กลายเป็นรูปแบบธุรกิจหลัก

แม้ว่าโซลูชัน EDA จะไม่ได้เกี่ยวข้องโดยตรงกับการผลิตชิป แต่ก็มีบทบาทสำคัญสามประการ ประการแรก เครื่องมือ EDA ถูกนำมาใช้ในการออกแบบและตรวจสอบกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ เพื่อให้มั่นใจว่ากระบวนการผลิตจะมีประสิทธิภาพและความหนาแน่นตามที่ต้องการ ส่วนนี้ของ EDA เรียกว่า การออกแบบด้วยคอมพิวเตอร์ช่วย หรือ TCAD

ประการที่สอง เครื่องมือ EDA ถูกนำมาใช้เพื่อตรวจสอบว่าการออกแบบจะตรงตามข้อกำหนดทั้งหมดของกระบวนการผลิต ความล้มเหลวในส่วนนี้อาจทำให้ชิปสำเร็จรูปไม่ทำงานหรือทำงานด้วยพลังงานที่ลดลง นอกจากนี้ยังมีความเสี่ยงด้านความน่าเชื่อถือ ซึ่งเรียกว่า การออกแบบเพื่อการผลิต หรือ DFM

ส่วนที่ 3 ค่อนข้างใหม่ หลังจากผลิตชิปแล้ว มีความจำเป็นเพิ่มขึ้นในการตรวจสอบประสิทธิภาพของอุปกรณ์ ตั้งแต่การทดสอบหลังการผลิตไปจนถึงการใช้งานจริง เป้าหมายของการตรวจสอบนี้คือเพื่อให้แน่ใจว่าอุปกรณ์ยังคงทำงานได้ตามที่คาดหวังตลอดวงจรชีวิตและปราศจากการรบกวน แอปพลิเคชันที่สามนี้เรียกว่าการจัดการวงจรชีวิตซิลิคอน หรือ SLM

อีกหนึ่งกลุ่มตลาดที่มีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับ EDA คือทรัพย์สินทางปัญญาของเซมิคอนดักเตอร์ หรือทรัพย์สินทางปัญญาของเซมิคอนดักเตอร์ กลุ่มตลาดนี้นำเสนอวงจรที่ออกแบบไว้ล่วงหน้าซึ่งมีความซับซ้อนหลากหลาย ซึ่งสามารถนำไปใช้งานตามสภาพเดิมหรือดัดแปลงให้เหมาะกับการใช้งานเฉพาะด้านได้ IP ของเซมิคอนดักเตอร์ช่วยให้สามารถออกแบบชิปที่มีความซับซ้อนสูงได้ในเวลาอันสั้น เนื่องจากสามารถนำงานออกแบบที่มีอยู่เดิมกลับมาใช้ซ้ำได้เป็นจำนวนมาก เนื่องจากการพึ่งพาการใช้ IP และการนำกลับมาใช้ซ้ำของเครื่องมือ EDA อย่างมาก ตลาดทั้งสองจึงมักถูกมองว่าเป็นตลาดเดียวกัน 

EDA ทำงานอย่างไร?

การออกแบบระบบอัตโนมัติทางอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Design Automation) เป็นธุรกิจซอฟต์แวร์หลัก โปรแกรมซอฟต์แวร์ที่มีความซับซ้อนและซับซ้อนสูงนี้ทำงานหลักๆ ในหนึ่งในสามวิธีเพื่อช่วยในการออกแบบและผลิตชิป:

• เครื่องมือจำลองจะอธิบายวงจรที่เสนอและทำนายพฤติกรรมของวงจรนั้นก่อนนำไปใช้งาน
• เครื่องมือออกแบบจะอธิบายฟังก์ชันวงจรที่เสนอ และประกอบชุดส่วนประกอบวงจรที่ทำหน้าที่นั้นขึ้นมา ซึ่งเป็นทั้งกระบวนการเชิงตรรกะ (การประกอบและเชื่อมต่อส่วนประกอบวงจร) และกระบวนการทางกายภาพ (การสร้างรูปทรงเรขาคณิตที่เชื่อมต่อกันเพื่อนำวงจรไปใช้ในระหว่างการผลิต) เครื่องมือเหล่านี้มาพร้อมกับความสามารถในการทำงานอัตโนมัติเต็มรูปแบบและการควบคุมแบบอินเทอร์แอคทีฟ
• เครื่องมือตรวจสอบจะทดสอบการแสดงทางตรรกะหรือทางกายภาพของชิปเพื่อตรวจสอบว่าการออกแบบที่ได้นั้นเชื่อมต่ออย่างถูกต้องหรือไม่ และจะมอบประสิทธิภาพตามต้องการหรือไม่

แม้ว่าผลิตภัณฑ์ EDA ส่วนใหญ่จะถูกส่งมอบในรูปแบบซอฟต์แวร์ แต่ก็มีบางกรณีที่มีการใช้ฮาร์ดแวร์ทางกายภาพเพื่อให้เกิดการทำงานด้วย โดยทั่วไปแล้วฮาร์ดแวร์จะถูกใช้เมื่อต้องการประสิทธิภาพสูงมาก ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อต้องประมวลผลข้อมูลจำนวนมากในระหว่างการจำลองและการตรวจสอบ ในทุกกรณี โมเดลฮาร์ดแวร์เฉพาะของวงจรจะทำงานได้เร็วกว่าโปรแกรมซอฟต์แวร์ที่ดำเนินการในโมเดลเดียวกันมาก ความเร็วที่เพิ่มขึ้นอย่างมากนี้มักจำเป็นสำหรับการทำงานที่หลากหลายให้เสร็จภายในระยะเวลาที่เหมาะสม (จากชั่วโมงเป็นวัน เทียบกับสัปดาห์เป็นเดือน) พาหนะหลักสองประการสำหรับฮาร์ดแวร์ EDA คือการจำลองและการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว

ประเภทของเครื่องมือ EDA

การจำลอง

เครื่องมือจำลองจะอธิบายวงจรที่นำเสนอและทำนายพฤติกรรมก่อนนำไปใช้งาน คำอธิบายนี้มักจะแสดงด้วยภาษามาตรฐานสำหรับอธิบายฮาร์ดแวร์ เช่น Verilog หรือ VHDL เครื่องมือจำลองจะจำลองพฤติกรรมของส่วนประกอบวงจรในระดับรายละเอียดต่างๆ และดำเนินการต่างๆ เพื่อทำนายพฤติกรรมที่เกิดขึ้นของวงจร ระดับรายละเอียดที่ต้องการจะขึ้นอยู่กับประเภทของวงจรที่ออกแบบและวัตถุประสงค์การใช้งาน หากต้องประมวลผลข้อมูลอินพุตจำนวนมาก จะใช้วิธีฮาร์ดแวร์ เช่น การจำลองหรือการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว สถานการณ์เหล่านี้เกิดขึ้นเมื่อระบบปฏิบัติการของโปรเซสเซอร์ต้องทำงานในสถานการณ์จริง เช่น การประมวลผลวิดีโอ หากไม่ได้รับการสนับสนุนจากฮาร์ดแวร์ รันไทม์สำหรับกรณีเหล่านี้อาจไม่ยั่งยืน

ออกแบบ

เครื่องมือออกแบบจะอธิบายฟังก์ชันวงจรที่เสนอและประกอบชุดส่วนประกอบวงจรที่ทำหน้าที่นั้น กระบวนการประกอบนี้อาจเป็นกระบวนการเชิงตรรกะ ซึ่งองค์ประกอบวงจรที่ถูกต้องจะถูกเลือกและเชื่อมต่อเข้าด้วยกันเพื่อทำหน้าที่ที่ต้องการ ตัวอย่างหนึ่งของกระบวนการนี้คือ การสังเคราะห์ตรรกะ นอกจากนี้ยังอาจเป็นกระบวนการทางกายภาพ ซึ่งรูปทรงเรขาคณิตที่ใช้กับวงจรซิลิคอนจะถูกประกอบ วาง และจัดวางเข้าด้วยกัน กระบวนการนี้มักเรียกว่า การจัดวางและจัดวาง นอกจากนี้ยังอาจเป็นกระบวนการเชิงโต้ตอบที่ควบคุมโดยผู้ออกแบบ ซึ่งเรียกว่า การจัดวางแบบกำหนดเอง

ตรวจสอบ

เครื่องมือตรวจสอบจะตรวจสอบการแสดงภาพเชิงตรรกะหรือเชิงกายภาพของชิป เพื่อพิจารณาว่าการออกแบบที่ได้นั้นเชื่อมต่ออย่างถูกต้องและจะให้ประสิทธิภาพตามที่ต้องการหรือไม่ มีกระบวนการมากมายที่สามารถนำมาใช้ได้ การตรวจสอบทางกายภาพจะตรวจสอบรูปทรงเรขาคณิตที่เชื่อมต่อกันเพื่อให้แน่ใจว่าการจัดวางเป็นไปตามข้อกำหนดการผลิตของโรงงาน ข้อกำหนดเหล่านี้มีความซับซ้อนมากและอาจประกอบด้วยกฎมากกว่า 10,000 ข้อ การตรวจสอบยังสามารถทำในรูปแบบของการเปรียบเทียบวงจรที่ใช้งานกับคำอธิบายดั้งเดิม เพื่อให้แน่ใจว่าวงจรนั้นสะท้อนถึงฟังก์ชันการทำงานที่ต้องการได้อย่างแม่นยำ ตัวอย่างของกระบวนการนี้คือ Layout versus Schematic หรือ LVS การตรวจสอบฟังก์ชันการทำงานของชิปยังสามารถใช้เทคโนโลยีการจำลองเพื่อเปรียบเทียบพฤติกรรมจริงกับพฤติกรรมที่คาดหวัง วิธีการเหล่านี้มีข้อจำกัดโดยความเพียงพอของสิ่งเร้าอินพุตที่ให้มา อีกวิธีหนึ่งคือการตรวจสอบพฤติกรรมของวงจรโดยใช้อัลกอริทึม โดยไม่มีสิ่งเร้าอินพุต วิธีนี้เรียกว่าการตรวจสอบความเท่าเทียม และเป็นส่วนหนึ่งของระเบียบวิธีที่เรียกว่าการตรวจสอบอย่างเป็นทางการ

ประวัติความเป็นมาของ EDA

เดิมที EDA เป็นความสามารถที่เป็นกรรมสิทธิ์ ก่อนที่ EDA จะกลายมาเป็นส่วนหนึ่งของตลาด ผู้ผลิตอุปกรณ์ดั้งเดิม (OEM) รายใหญ่ที่บูรณาการในแนวตั้งได้ดำเนินการออกแบบและผลิตชิปที่เป็นกรรมสิทธิ์ องค์กรเหล่านี้ใช้ทีมวิศวกรซอฟต์แวร์ขนาดใหญ่เพื่อพัฒนาเครื่องมือที่จำเป็นสำหรับการออกแบบ การติดตั้ง และการตรวจสอบชิปที่ผลิตขึ้นโดยอัตโนมัติ ในกรณีนี้ OEM จะใช้กระบวนการผลิตชิปทั้งหมดเพื่อผสานรวมเข้ากับผลิตภัณฑ์ของตนเอง

ตัวอย่างที่โดดเด่น ได้แก่ Bell Laboratories, Texas Instruments, Intel, RCA, General Electric, Sony และ Sharp การพัฒนาเครื่องมือ EDA เชิงพาณิชย์นั้นเกิดขึ้นโดยพื้นฐานในสามขั้นตอน

ระยะแรกเริ่มต้นขึ้นในช่วงทศวรรษ 1960 และได้เห็นระบบออกแบบกราฟิกเชิงโต้ตอบด้วยคอมพิวเตอร์ที่วางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ ระบบเหล่านี้มุ่งเป้าไปที่ตลาดที่หลากหลาย รวมถึงการทำแผนที่ การออกแบบเชิงกล และสถาปัตยกรรม ระบบเหล่านี้ยังใช้สำหรับการออกแบบเชิงโต้ตอบของเค้าโครงวงจรรวมด้วย บริษัทหลักสามแห่งที่เป็นผู้นำในระยะนี้ ได้แก่ Applicon, Calma และ Computervision ที่น่าสนใจคือในช่วงแรก Calma ได้พัฒนารูปแบบสำหรับการนำเสนอเค้าโครงวงจรรวมที่เรียกว่า GDS ซึ่งตั้งชื่อตามผลิตภัณฑ์ของพวกเขาคือ Graphic Design System รูปแบบ GDS II ของรูปแบบนี้ยังคงถูกใช้เป็นรูปแบบโดยพฤตินัยสำหรับการสื่อสารข้อมูลเค้าโครงวงจรรวมมานานหลายทศวรรษ ระยะนี้ของอุตสาหกรรมเป็นที่รู้จักกันในชื่อ CAD/CAM (การออกแบบด้วยคอมพิวเตอร์/การผลิตด้วยคอมพิวเตอร์)

ระยะที่สองของ EDA เริ่มต้นขึ้นในช่วงต้นทศวรรษ 1980 สิ่งสำคัญอย่างหนึ่งเกิดขึ้นในช่วงเวลานี้ นั่นคือ อุตสาหกรรมวงจรรวมเฉพาะทางเชิงพาณิชย์ หรือ ASIC ก็ได้ถือกำเนิดขึ้นเช่นกัน การเกิดขึ้นของอุตสาหกรรม ASIC ทำให้ชิปที่ออกแบบเองซึ่งก่อนหน้านี้สงวนไว้สำหรับผู้ผลิตอุปกรณ์ดั้งเดิม (OEM) รายใหญ่จำนวนมาก กลายมาเป็นส่วนหนึ่งของทีมออกแบบจำนวนมากขึ้น นี่เป็นจุดเริ่มต้นของการปฏิวัติเซมิคอนดักเตอร์ที่ยังคงดำเนินมาจนถึงปัจจุบัน บริษัท ASIC ในยุคแรกๆ ได้แก่ LSI Logic และ VLSI Technology ด้วยตลาดใหม่นี้ ความต้องการเครื่องมือสำหรับการจำลองชิป การออกแบบ และการตรวจสอบความถูกต้องอัตโนมัติจึงแพร่หลายมากขึ้น การพัฒนานี้ได้สร้างบริษัทใหม่ๆ มากมายเพื่อตอบสนองความต้องการนี้ ทีมงานภายในจำนวนมากซึ่งจำกัดอยู่แต่ผู้ผลิตอุปกรณ์ดั้งเดิม (OEM) รายใหญ่ ได้ค้นพบงานใหม่ที่น่าสนใจและสร้างผลกำไรในตลาดใหม่นี้ และส่งผลให้อุตสาหกรรม EDA เชิงพาณิชย์เริ่มเติบโต

ในระยะนี้ มุ่งเน้นไปที่ซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์เฉพาะทางเพื่อบันทึกคำอธิบายการออกแบบและจำลองสถานการณ์ บริษัทหลักสามแห่งที่เป็นผู้นำในระยะนี้ ได้แก่ Daisy Systems, Mentor Graphics และ Valid Logic ระยะนี้เรียกว่า CAE (วิศวกรรมคอมพิวเตอร์ช่วย)

อุตสาหกรรม EDA เริ่มเติบโตเต็มที่ในช่วงปลายทศวรรษ 1980 ซึ่งเป็นช่วงที่สามของอุตสาหกรรม ผู้ผลิตเครื่องมือช่างถูกแทนที่ด้วยผู้จำหน่ายซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์ที่หลากหลาย โดยมีเป้าหมายที่จะพัฒนากระบวนการออกแบบวงจรรวมให้เป็นระบบอัตโนมัติ บริษัทชั้นนำสามแห่งในช่วงนี้คือ Synopsys, Cadence และ Mentor (ปัจจุบันคือ Siemens EDA) ระยะนี้เป็นจุดเริ่มต้นของคำว่า EDA (ระบบอัตโนมัติสำหรับการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์) ปัจจุบัน หลายคนยังคงรู้สึกผูกพันกับช่วงระยะนี้ของอุตสาหกรรม บริษัทชั้นนำทั้งสามแห่งยังคงเหมือนเดิม

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ ความต้องการเครื่องมือและแพลตฟอร์มเทคโนโลยีที่ใหญ่ขึ้นก็เพิ่มมากขึ้น ซึ่งอาจเป็นสัญญาณของการพัฒนาขั้นต่อไปของอุตสาหกรรม

ทำไม EDA ถึงสำคัญ?

ชิปเซมิคอนดักเตอร์มีความซับซ้อนอย่างเหลือเชื่อ อุปกรณ์สมัยใหม่สามารถประกอบด้วยส่วนประกอบวงจรได้มากกว่าหนึ่งพันล้านชิ้น ส่วนประกอบทั้งหมดเหล่านี้สามารถมีปฏิสัมพันธ์กันได้อย่างละเอียดอ่อน และการเปลี่ยนแปลงในกระบวนการผลิตก็สามารถสร้างปฏิสัมพันธ์และการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมที่ละเอียดยิ่งขึ้นไปอีก

ไม่มีทางที่จะจัดการกับความซับซ้อนในระดับนี้ได้หากปราศจากระบบอัตโนมัติที่ซับซ้อน และ EDA ก็มอบเทคโนโลยีที่สำคัญนี้ให้ หากไม่มีระบบดังกล่าว การออกแบบและผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ในปัจจุบันคงเป็นไปไม่ได้

สิ่งสำคัญอีกประการหนึ่งที่ต้องทราบคือ ต้นทุนของข้อบกพร่องเพียงจุดเดียวในชิปที่ผลิตขึ้นอาจสูงถึงขั้นหายนะได้ ข้อบกพร่องของชิปไม่สามารถ "แก้ไข" ได้ ชิปทั้งหมดต้องได้รับการออกแบบและผลิตใหม่ เวลาและต้นทุนในกระบวนการนี้มักยาวนานและมีค่าใช้จ่ายสูงจนทำให้โครงการทั้งหมดต้องล้มเหลว นี่คือเหตุผลที่การออกแบบชิปจึงมีความซับซ้อนและต้องอาศัยความสมบูรณ์แบบ

หากไม่มีเครื่องมือ EDA ความท้าทายเหล่านี้จะไม่สามารถแก้ไขได้