Electronic Design Automation

(EDA), bezeichnet Software für den Entwurf von Elektronik, insbesondere der Mikroelektronik bzw. integrierten Schaltkreisen (ICs). EDA ist der Entwurf von elektronischen Schaltungen auf Basis der Halbleitertechnologie und Halbleiterelektronik.

Geschichte und Begriffe

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

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 berücksichtigt. Siehe dazu auch die International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) bzw. ihren Nachfolger International Roadmap for Devices and Systems (IRDS). Dabei kommen auch Werkzeuge wie SystemC oder SystemVerilog zum Einsatz.<ref></ref><ref></ref>

Aufgaben und Ablauf

Die Aufgabe der EDA ist die Entwurfsautomatisierung auf unterschiedlichen Ebenen:

• Erstellung von Schaltplänen vor allem beim Entwurf von Leiterplatten, aber auch der Entwurf von Zustandsautomaten. In der Regel erstellen solche EDA-Anwendungen 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.
• Verifikation der korrekten Funktion von Schaltungen durch Simulation und formale Methoden, auf verschiedenen Entwicklungsebenen.
• 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.
• Der Chipentwurf, d. h. die Computergestützte Entwicklung von integrierten Schaltungen (ICs), insbesondere von ASICs, von der Spezifikation und Umsetzung in einen Schaltplan und ein Layout bis zum gefertigten Schaltkreis. Hierzu werden größtenteils Hardwarebeschreibungssprachen (HDLs) verwendet.
• Im Falle von FPGAs, die Umsetzung von logischen Schaltungen in konfigurierbare Logikbausteine. Auch hierzu werden HDLs verwendet.
• Entwurf von Multi-Chip-Modulen (MCM) und Packaging- bzw. SiP-Design.

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: A Brief History of EDA. In: Semiwiki. 5. August 2012, abgerufen am 26. Dezember 2022 (). </ref> Zuvor waren bereits erste Computergestützte Ansätze beim Design von ICs und ASICs gemacht worden.<ref>1967: Application Specific Integrated Circuits employ Computer-Aided Design | The Silicon Engine | Computer History Museum. Computer History Museum, 2022, abgerufen am 26. Dezember 2022 (). </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>MOSIS. In: MOSIS. USC, abgerufen am 7. Januar 2023 (). </ref> Mit den Unternehmen VLSI Technology und LSI Logic, später TSMC und dem Fabless-Geschäftsmodell wurde EDA-Software dann zu einer Hauptgröße der Halbleiterindustrie.<ref>What is Electronic Design Automation (EDA)? – How it Works | Synopsys. Synopsys, 2023, abgerufen am 7. Januar 2023 (). </ref>

Die Branche durchläuft seit vielen Jahrzehnten Merger & Acquisitions. Beispielsweise wurde Tanner EDA von Tanner Research (gegründet von John Tanner,<ref>Daniel Nenni: A Brief History of Tanner EDA. In: Semiwiki. 28. Januar 2013, abgerufen am 26. Dezember 2022 (). </ref> PhD-Absolvent 1986 bei Carver Mead)<ref>Browse by Author - CaltechTHESIS. Abgerufen am 26. Dezember 2022. </ref> abgespalten, zuerst von Mentor akquiriert<ref>Mentor Graphics Acquires Tanner EDA. In: Design & Reuse. 3. März 2015, abgerufen am 26. Dezember 2022 (). </ref> und folglich durch Siemens EDA übernommen.<ref>Siemens closes Mentor Graphics acquisition. In: Digital Factory. Siemens, 30. März 2017, abgerufen am 26. Dezember 2022 (). </ref> Ein anderes großes Beispiel war der M&A von Synopsys von Magma Design Automation (kurz: Magma) im Jahr 2012.<ref>Synopsys Inc.: Synopsys Completes Acquisition of Magma Design Automation. In: Cision US. PR Newswire, 22. Februar 2012, abgerufen am 26. Dezember 2022 (). </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>Synopsys, Inc. (NASDAQ:SNPS) Q4 2022 Earnings Call Transcript. In: Insider Monkey Transcripts. Yahoo!finance, 8. Dezember 2022, abgerufen am 26. Dezember 2022 (). </ref>

Als Beispiel aus der deutschen EDA-Geschichte sei das Werkzeug VENUS („VLSI-Entwicklung und Simulation“) von Siemens erwähnt.<ref>Egon Hörbst, Martin Nett, Heinz Schwärtzel: VENUS: Entwurf von VLSI-Schaltungen. Springer Berlin, Heidelberg, 1986, doi:10.1007/978-3-662-10756-0 (springer.com [abgerufen am 28. Dezember 2022]). </ref><ref>Klaus Blondin, Martin Nett: VLSI - Entwurfssystem (VENUS). In: GI — 14. Jahrestagung. Springer, Berlin, Heidelberg 1984, ISBN 978-3-662-07491-6, S. 143–159, doi:10.1007/978-3-662-07491-6_8 (springer.com [abgerufen am 28. Dezember 2022]). </ref>

Das ehemalige EDA Consortium (EDAC) wurde 2016 zur ESD Alliance.<ref>EDA Consortium Becomes Electronic System Design Alliance. In: Design & Reuse. 31. März 2016, abgerufen am 26. Dezember 2022 (). </ref>

Preise & 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.

Wirtschaft & Markt

Das Marktvolumen der EDA-Industrie betrug nach Angaben des Interessenverbandes Electronic System Design Alliance, einer Fachgruppe der SEMI, Mitte 2019 ca. 2,4 Milliarden US-Dollar.<ref>John Blyler: Growth returns to semiconductor and EDA tools M&A markets – for now. In: DesignNews. Informa, 6. Dezember 2019, abgerufen am 26. Dezember 2022 (). </ref> Im 2. Quartal 2022 waren es laut ESD 3,7 Milliarden US-Dollar.<ref>Electronic System Design Industry Hits Record Revenue of Nearly $3.8 Billion in Q2 2022, ESD Alliance Reports | SEMI. ESD Alliance (SEMI), 17. Oktober 2022, abgerufen am 26. Dezember 2022 (). </ref>

EDA-Kategorien nach SEMI

Die Vielzahl der Software hat ESD der SEMI dazu veranlasst, gewisse Kriterien für das Berichten zu veröffentlichen (siehe Weblinks). Dabei wurden die fünf folgenden Kategorien definiert:

1. Services
2. CAE
3. IC Physical Design & Verification
4. PCB & MCM
5. SIP

Abgrenzung FPGAs

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.

Open Source

Es existiert auch Open Source EDA-Software, z. B. GHDL und viele mehr.<ref>Daniel Payne: EDA Open Source and Free Tools Wiki. In: Semiwiki. Abgerufen am 26. Dezember 2022 (). </ref><ref>The Ultimate Guide to Open Source EDA Tools. In: AnySilicon. 11. September 2022, abgerufen am 27. Dezember 2022 (). </ref> Die Entwicklung, Anwendung und der Einfluss von Open Source im Chipdesign ist weiterhin offen.<ref>Kevin Fogarty: Will Open-Source EDA Work? 26. Juni 2019, abgerufen am 26. Dezember 2022 (). </ref> Alliance/Coriolis bspw. kann bis zu Strukturgrößen von 130/180 nm angewendet werden, aber nicht darunter.<ref>Coriolis VLSI CAD Tools [offline]. Sorbonne Université, 2020, abgerufen am 26. Dezember 2022 (). </ref>

Des Weiteren existiert seit 1999 die IP-Initiative OpenCores, welche ein Repository verschiedener Designs (z. B. OpenRISC) zu verschiedenen Lizenzen anbietet.<ref>Frequently Asked Questions :: OpenCores. OpenCores, abgerufen am 29. Dezember 2022 (). </ref>

EDA-Software (Beispiele)

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>Digital Design Family | Synopsys. Synopsys, abgerufen am 26. Dezember 2022 (). </ref>
  • 3DIC Compiler
• Siemens EDA<ref>IC Design, Verification & Manufacturing Products. Siemens EDA, abgerufen am 26. Dezember 2022 (). </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)

Entwurf von Leiterplatten (PCB)

Hauptanbieter

• Autodesk
  • Eagle (früher CadSoft, wurde 2016 von Autodesk akquiriert)<ref>Sam Sattel: Autodesk acquires EAGLE: Q&A and a look into future! Autodesk, 11. Juli 2016, abgerufen am 26. Dezember 2022 (). </ref>
• Altium
  • Altium Designer
• Cadence
  • Allegro PCB Design
  • OrCAD PCB Designer
• Zuken
  • Verschiedene unter CADSTAR bzw. eCADSTAR<ref>CADSTAR eCADSTAR. Zuken, abgerufen am 26. Dezember 2022 (). </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>PCB-Investigator | Die Leiterplatten Design Software. 8. September 2022, abgerufen am 9. August 2024 (). </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: EasyEDA: Webbasierter Schaltplan- und Leiterplatteneditor. In: heise online. 19. Dezember 2016; abgerufen am 27. März 2020. </ref>
• Fritzing von der Fachhochschule Potsdam
• gEDA
• KiCad
• LibrePCB<ref>LibrePCB. Create electronics the easy way. Abgerufen am 15. Oktober 2024 (). </ref>

Literatur

Artikel

• What is Electronic Design Automation (EDA)? – How it Works. Synopsys, 2023, abgerufen am 7. Januar 2023 (). 

Grundlagen

• F. Kesel: FPGA Hardware-Entwurf: Schaltungs- und System-Design mit VHDL und C/C++. De Gruyter, 2018, ISBN 978-3-11-053145-9, doi:10.1515/9783110531459. 
• J. Lienig, J. Scheible: Grundlagen des Layoutentwurfs elektronischer Schaltungen. Springer, 2023, ISBN 978-3-03115767-7, doi:10.1007/978-3-031-15768-4 (springer.com). 
• J. Reichardt, B. Schwarz: VHDL-Simulation und -Synthese: Entwurf digitaler Schaltungen und Systeme. De Gruyter, 2020, ISBN 978-3-11-067346-3, doi:10.1515/9783110673463. 

Weblinks

• ESD Alliance (SEMI) – Webseite
• ESD Alliance, SEMI: 2022 Reporting Criteria — Electronic Design Market Data. 2022 (semi.org [PDF]). 
• Kyoto Prize Laureate Introduction: Carver Mead (ab 0:05:11) auf YouTube, 10. November 2022, abgerufen am 26. Dezember 2022 ().

Einzelnachweise

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