Electronic Design Automation

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Ablaufschema für die Herstellung von Mikroelektronik. ESD-Werkzeuge existieren auf allen Ebenen, werden jedoch vor allem im Bereich des Frontend-Designs (Schaltungsdesign) eingesetzt.

Electronic Design Automation (EDA), dt. etwa „rechnergestützte Entwurfsautomatisierung“, bezeichnet Software für den Entwurf von Elektronik, insbesondere der Mikroelektronik bzw. integrierten Schaltkreisen (ICs).

EDA sind Software-Werkzeuge für den Entwurf, die Verifikation und Validierung, sowie Simulation von integrierten, sowie elektronischen und digitalen Schaltungen auf Basis der Halbleitertechnologie und Halbleiterelektronik. Dazu zählen auch Werkzeuge für den Entwurf von halbleiterbasierten Speicherbausteinen, analoge bzw. Mixed-Signal-Schaltungen, sowie anderer Systeme, die auf anderen Bauelementen wie Leistungshalbleitern oder auf anderen Technologien wie der Hochfrequenztechnologie für monolithische Mikrowellenintegrationsschaltungen (MMIC) basieren oder darauf aufbauen.

Begriff und Fachgebiet

Der Entwurf von integrierten Schaltungen ist eine Ingenieursdisziplin und wurde historisch (c. 1970er bis 1990er) unter den Bezeichnungen Computer Aided Design (CAD) oder Computer Aided Engineering (CAE) betrieben.<ref></ref> Der Begriff bzw. das Akronym CAD wird jedoch seit den 2000er Jahren primär für Konstruktion und Mechanikentwicklung genutzt; CAE und EDA steht allgemein für die computergestützte Entwicklung von elektronischen Schaltungen.

Aufgaben und Ablauf

Die Aufgabe der EDA (Electronic Design Automation) ist die Entwurfsautomatisierung auf unterschiedlichen Ebenen und für verschiedene Objekte: Halbleiterbausteine, Mikroelektronik (ICs) oder die Integration von Bauelementen als Teil einer Leiterplatte. Dabei handelt es sich grundlegend um die Modellierung und Simulation von halbleiterbasierten elektronischen Bauteilen und Schaltungen.

Chipdesign

• Chipentwurf, d. h. die computergestützte Entwicklung von integrierten Schaltungen (ICs), dazu zählen:
  • Erarbeitung von Architektur- und Design-Spezifikation
  • Umsetzung in einen Schaltplan und ein Layout mittels Hardwarebeschreibungssprachen (HDLs), z. B. der Entwurf von Zustandsautomaten
  • Registertransfer (RTL) und Schaltungssynthese
  • Verifikation der korrekten Funktion von Schaltungen durch Simulation und formale Methoden, auf verschiedenen Entwicklungsebenen
  • Weitere Analysen und Testmethoden
• Prototyping von Designs in konfigurierbaren FPGA-Systemen
• Entwurf, Umsetzung und Test von Schaltungen in Logikbausteine, entweder konfigurierbar (FPGAs) oder festverdrahtet (ASICs)
• Entwurf von Halbleiterschaltungsdesigns (IP) zur Vermarktung (Lizenzierungs-Geschäftsmodell)
• Entwurf von Multi-Chip-Modulen (MCM) und dem Packaging

Leiterplatten- und Elektronikdesign

• Erstellung von Schaltplänen für den Leiterplattenentwurf und -entflechtung (Platinen-Layout, engl. ), d. h. Entwurf eines Schaltungträgers für die Bauelemente meist im Gerber-Dateiformat zur Leiterplattenproduktion. Dabei kann auch eine automatisierte Platzierung der Schaltungskomponenten (Autoplacer) und eine automatisierte Entflechtung der Verbindungen (Autorouter) verwendet werden.
• In der Regel erstellen EDA-Anwendungen für PCB-Design Netzlisten, die die für die Schaltung benötigten Elemente oder Bauteile enthalten sowie deren Verbindungen untereinander spezifizieren. Die so entstandenen Netzlisten werden dann in der Regel von Programmen auf anderen Ebenen weiterverarbeitet.

Electronic System Design

Eine weitere Spezialisierung ist die Electronic System Design (ESD), um der gestiegenen Fähigkeiten, Komplexität sowie Anwendungen der EDA-Software gerecht zu werden.<ref></ref> Dabei wird das Systems Engineering in den Mittelpunkt des Designs gestellt, was unter anderem den Trend der Technologie widerspiegelt, der immer komplexere Geräte (ICs) zu entwickeln. Siehe dazu auch die International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) bzw. ihren Nachfolger International Roadmap for Devices and Systems (IRDS). Hierfür kommen auch Werkzeuge wie Hardwaresprachen SystemC oder SystemVerilog zum Einsatz.<ref></ref><ref></ref>

Das ehemalige EDA Consortium (EDAC) der Semiconductor Equipment and Materials International (SEMI) wurde 2016 zur Electronic System Design Alliance (ESD), welche im US-amerikanischen Wirtschaftsraum sich dem Thema EDA widmet.<ref> In: ; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref>

EDA-Kategorien

Die Vielzahl der EDA-Software hat die gegründete Electronic System Design Alliance (ESD) der Semiconductor Equipment and Materials International (SEMI) dazu veranlasst, gewisse Kriterien für das Berichten in dieser Branche zu veröffentlichen. Dabei wurden die fünf folgenden Kategorien definiert:

1. Services
2. CAE
3. IC Physical Design & Verification
4. Leiterplatten (PCB) & Multi-Chip-Modul (MCM)
5. SIP (Semiconductor Intellectual Property)

Abgrenzung

Weitere EDA-Software, die speziell für das Design, Konfiguration und Test von FPGAs relevant ist, sind die Inhouse-Software von den größten FPGA-Herstellern Xilinx (akquiriert von AMD), Altera (akquiriert von Intel), Microsemi (akquiriert von Microchip) oder Lattice Semiconductor.

Geschichte

Historisch wurde EDA-Software mit der Entwicklung der gesamten Computerbranche groß. Als signifikanter Meilenstein in der Geschichte der EDA gelten die Ideen und Methoden von Carver Mead und Lynn Conway.<ref></ref><ref>Daniel Nenni: In: ; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref> Zuvor waren bereits erste Computergestützte Ansätze beim Design von ICs und ASICs gemacht worden.<ref> Computer History Museum, ; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref> Der Foundry-Service Anbieter MOSIS des University of Southern Californias Information Sciences Institute (ISI) war damals (1981) einer der ersten Anbieter für Prototypen („Multi-Wafer-Projects“, MWP) und Tape-outs, dem letzten Designschritt, bevor der fertige Entwurf in die Produktion geht. MOSIS ist bis heute noch aktiv.<ref> In: USC; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref> Mit den Unternehmen VLSI Technology und LSI Logic, später TSMC und dem Fabless-Foundry-Geschäftsmodell wurde EDA-Software dann zu einer Hauptgröße der Halbleiterindustrie.<ref> Synopsys, ; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref>

Die Branche durchläuft seit vielen Jahrzehnten Merger & Acquisitions. Beispielsweise wurde Tanner EDA von Tanner Research (gegründet von John Tanner,<ref>Daniel Nenni: In: ; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref> PhD-Absolvent 1986 bei Carver Mead)<ref> Ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen  </ref> abgespalten, zuerst von Mentor akquiriert<ref> In: ; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref> und folglich durch Siemens EDA übernommen.<ref> In: Siemens, ; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref> Ein anderes großes Beispiel war der M&A von Synopsys von Magma Design Automation (kurz: Magma) im Jahr 2012.<ref>Synopsys Inc.: In: PR Newswire, ; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref> Somit gelten (Stand 2022) Synopsys, Cadence, Siemens EDA und Ansys mit zu den größten EDA-Software Anbietern weltweit. Synopsys hat nach eigenen Angaben Ende 2022 den Umsatzrekord von 5 Milliarden US-Dollar erreicht.<ref> In: Yahoo!finance, ; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref>

Als Beispiel aus der deutschen EDA-Geschichte sei das Werkzeug VENUS („VLSI-Entwicklung und Simulation“) von Siemens erwähnt.<ref></ref><ref></ref>

EDA-Software (Auswahl)

Datei:Sram up-simulation.png

Simulation eines synchronen Single-Port-Speichers (SRAM) mittels der EDA-Software ModelSim von Mentor Graphics (ein Teil von Siemens Digital Industries Software)

Hinweis: Aufgrund der unter Geschichte erwähnten hohen M&A-Aktivität in der Branche, bieten heutzutage (Stand 2022) die Hauptanbieter EDA-Software aus fast allen genannten EDA-Kategorien an, sowie für Digital- und auch Analogdesign. Einzelne Anbieter bieten EDA-Software für Mikrosystemdesign an. Es werden hier nur einige Beispiele der Kategorien 2+3 sowie 4 aufgezählt. Die Anbieter haben eine Vielzahl von spezialisierten EDA-Produkten. Im Folgenden sind nur einzelne Beispiele aufgezählt. Die Liste erhebt keinen Anspruch an Vollständigkeit.

Integrierten Schaltungen (CAE, IC)

Hauptanbieter

• Ansys
  • RedHawk (digital)
  • Totem (analog)
• Cadence
  • OrCAD
  • Spectre
  • Virtuoso
• Synopsys<ref> Synopsys; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref>
  • 3DIC Compiler
• Siemens EDA (Mentor u. a.)<ref> Siemens EDA; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref>
  • Calibre
  • Custom IC (von Tanner EDA)
  • Xcelerator

Andere und Historisch

• Dolphin Integration (JV von Soitec und MBDA)
• Forte Design Systems (akquiriert durch Cadence)
• Mentor Graphics PADS (akquiriert durch Siemens)

Open Source EDA

Es existiert auch Open Source EDA-Software für den Entwurf integrierter Schaltungen, z. B. GHDL.<ref>Daniel Payne: In: Ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref><ref> In: ; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref> Die Entwicklung, Anwendung und der Einfluss von Open Source im Chipdesign ist jedoch weiterhin offen.<ref> ; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref> Die EDA-Software von Alliance/Coriolis bspw. kann bis zu Strukturgrößen von 130/180 nm angewendet werden, aber nicht darunter.<ref> Sorbonne Université, ; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref>

Des Weiteren existiert seit 1999 die IP-Initiative OpenCores, welche ein Repository verschiedener IP-Designs (z. B. OpenRISC) zu verschiedenen Lizenzen anbietet.<ref> OpenCores; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref>

Entwurf von Leiterplatten (PCB)

Datei:PCB design and realisation smt and through hole.png

Typisches Leiterplattendesign (PCB) und bestückte Platine (rechts). Software für PCB-Design zählt auch zur EDA.

Hauptanbieter

• Autodesk
  • Eagle (früher CadSoft, wurde 2016 von Autodesk akquiriert)<ref>Sam Sattel: Autodesk, ; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref>
• Altium
  • Altium Designer
• Cadence
  • Allegro PCB Design
  • OrCAD PCB Designer
• Zuken
  • Verschiedene unter CADSTAR bzw. eCADSTAR<ref> Zuken; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref>
  • CR-8000

Andere und Historisch

• Bartels AutoEngineer
• Board Station von Mentor (akquiriert von Siemens)
• DipTrace
• Multisim von National Instruments
• PCBCAD51 und PCBCAD720 PCB Design von Murton-Pike Systems
• PCB-Investigator, von EasyLogix<ref> ; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref>
• Proteus von Labcenter Electronics
• Pulsonix von Westdev
• sPlan von Abacom
• TARGET 3001! von Ing.-Büro Friedrich
• Upverter von Altium

Open Source oder Freeware

• EasyEDA, webbasiert und als Desktopprogramm<ref>Florian Schäffer: In: ; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen .Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref>
• Fritzing von der Fachhochschule Potsdam
• gEDA
• KiCad
• LibrePCB<ref> Ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref>

Preise und Auszeichnungen

Erfindern und Persönlichkeiten, die sich im Bereich EDA profiliert haben, wird der Phil Kaufman Award zugestanden. Für ausgezeichnete Leistungen in der Mikroelektronik wird von der IEEE die Robert N. Noyce Medal verliehen.

Wirtschaftszweig

Die Wirtschaftskraft der EDA-Industrie betrug nach Angaben des Interessenverbandes Electronic System Design Alliance (ESD), einer Fachgruppe der Semiconductor Equipment and Materials International (SEMI), Mitte 2019 ca. 2,4 Milliarden US-Dollar.<ref> In: Informa, ; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref> Im 2. Quartal 2022 waren es laut ESD 3,7 Mrd. US-Dollar.<ref> ESD Alliance (SEMI), ; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref> Die Umsätze im 1. Quartal 2026 beliefen sich auf rund 5,8 Milliarden US-Dollar.

Weltweit beschäftigt die ESD Alliance in dieser Branche rund 72.544 Mitarbeiter.<ref> In: ; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref>

Literatur

Artikel

• Synopsys, ; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen ().Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) 

Weblinks

• ESD Alliance (SEMI) – Webseite
• Kyoto Prize Laureate Introduction: Carver Mead (ab 0::) auf YouTube, , abgerufen am ().

Einzelnachweise

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