أتمتة التصميم الإلكتروني

**أتمتة التصميم الإلكتروني** ( **EDA** )، والتي يشار إليها أيضًا باسم **التصميم الإلكتروني بمساعدة الكمبيوتر** ( **ECAD** )، هي فئة من أدوات البرمجيات لتصميم الأنظمة الإلكترونية مثل الدوائر المتكاملة ولوحات الدوائر المطبوعة. تعمل الأدوات معًا في تدفق تصميم يستخدمه مصممو الرقائق لتصميم وتحليل رقائق أشباه الموصلات بأكملها. بما أن رقاقة أشباه الموصلات الحديثة يمكن أن تحتوي على مليارات المكونات، فإن أدوات EDA ضرورية لتصميمها. تم دمج مجموعة كاملة من التقنيات في أدوات EDA، والتي تم توسيعها لتشمل البرامج والأجهزة ومنهجيات التصميم (مثل خدمات التصميم)، وتصف هذه المقالة على وجه الخصوص EDA فيما يتعلق بالدوائر المتكاملة (ICs).

### البدايات
يُنسب الفضل في أول أتمتة لتصميم الإلكترونيات إلى شركة IBM من خلال توثيق أجهزة الكمبيوتر من سلسلة 700 في الخمسينيات من القرن الماضي.

طورت شركة IBM أحد أقدم أنظمة التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD)، والمعروف باسم مخطط المنطق الآلي (ALD)، والذي جرى تنفيذه في الأصل على أجهزة الحاسوب المركزية IBM 704 و705. بدأت عملية التصميم بقيام المهندسين برسم مخططات منطقية يدويًا، والتي نُقلت لاحقًا إلى قوالب موحدة وتحويلها إلى بطاقات مثقبة للمعالجة الرقمية.

على الرغم من تركيزها على الهندسة الميكانيكية، إلا أن نظام DAC-1 من جنرال موتورز، الذي بُني بالاشتراك مع شركة IBM، كان من بين أوائل أنظمة التصميم بمساعدة الحاسوب التفاعلية التي تعتمد على الرسومات، وقد أثبت جدوى التحرير القائم على الشاشة لبيانات هندسية معقدة، وهي فكرة أعتُمِدت في أدوات تخطيط الدوائر المتكاملة.

قبل تطوير برامج تصميم الدوائر الإلكترونية (EDA)، كانت الدوائر المتكاملة تُصمم وتُرتب يدويًا. استخدمت بعض الشركات المتخصصة برامج هندسية لإنشاء أشرطة لجهاز رسم ضوئي من نوع Gerber، المسؤول عن إنتاج صورة أحادية اللون، ولكن حتى هذه البرامج كانت تنسخ تسجيلات رقمية لمكونات مرسومة ميكانيكيًا. كانت العملية في جوهرها رسومية، حيث كان التحويل من الإلكترونيات إلى الرسومات يتم يدويًا؛ وكانت شركة Calma أشهر شركة في تلك الحقبة، ولا يزال تنسيق GDSII الخاص بها مستخدمًا حتى اليوم.

في أوائل سبعينيات القرن العشرين، بدأ المطورون بأتمتة تصميم الدوائر الإلكترونية بالإضافة إلى الرسم الهندسي، وطُورت أولى أدوات تحديد المواقع والتوجيه. وبسبب الحرب الباردة، كانت التطورات تحدث غالبًا بشكل متوازي تقريبًا. في العالم الغربي، وثّقت وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) ومؤتمر أتمتة التصميم غالبية التطورات في ذلك الوقت، وبحلول عام 1973، برزت الحاجة إلى قائمة مراجع ضخمة لمتابعة التطورات في هذا المجال. أما في الاتحاد السوفيتي، فقد وُصف التقدم بشكل كبير في سلسلة من الكتب، بدءًا من عام 1975. 

سمح نظام التصميم الجرافيكي Calma (GDS، 1971) وخليفته ذو 32 بت GDSII (1978) للمهندسين برقمنة وتحرير تخطيطات الرقائق الكاملة على الحواسيب الصغيرة؛ وأصبح ملف GDSII Stream المصاحب معيار تبادل الأقنعة الفعلي ولا يزال معترفًا به في عمليات التصميم الحديثة.

أُنتجت أدوات تصميم الدوائر الإلكترونية (EDA) الأولى أكاديميًا. ومن أشهرها "مجموعة أدوات بيركلي VLSI المضغوطة"، وهي مجموعة من أدوات يونكس المستخدمة في تصميم أنظمة VLSI المبكرة. ومن الأدوات الشائعة الاستخدام برنامج Espresso لتقليل تعقيد الدوائر المنطقية، وبرنامج Magic ، وهو منصة تصميم بمساعدة الحاسوب. وكان من التطورات المهمة الأخرى تأسيس MOSIS، وهو اتحاد يضم جامعات وشركات تصنيع، حيث طور طريقة غير مكلفة لتدريب طلاب تصميم الرقائق من خلال إنتاج دوائر متكاملة حقيقية. وتقوم الفكرة الأساسية على استخدام عمليات تصنيع دوائر متكاملة موثوقة ومنخفضة التكلفة وتقنية بسيطة نسبيًا، وتجميع عدد كبير من المشاريع على كل رقاقة، مع الاحتفاظ بنسخ متعددة من الرقائق من كل مشروع. وقد تبرعت شركات التصنيع المتعاونة بالرقائق المُعالجة أو باعتها بسعر التكلفة، لأنها رأت في البرنامج فائدة لنموها على المدى الطويل.

### الأنطلاقة التجارية

عُقد أول معرض تجاري لبرامج تصميم الدوائر الإلكترونية (EDA) في مؤتمر أتمتة التصميم عام 1984، وفي عام 1986، قدمت شركة Gateway Design Automation لغة Verilog، وهي لغة تصميم عالية المستوى شائعة الاستخدام، كلغة لوصف الأجهزة. وسرعان ما تبع ذلك ظهور برامج المحاكاة، مما أتاح محاكاة مباشرة لتصميمات الرقائق والمواصفات التنفيذية. وفي غضون سنوات قليلة، طُوّرت واجهات خلفية لتنفيذ توليف الدوائر المنطقية.

### العصر الحديث
تتميز عمليات المعالجة الرقمية الحالية ببنية معيارية للغاية، حيث تُنتج واجهات المستخدم وصفًا تصميميًا موحدًا يُدمج في استدعاءات لوحدات مشابهة للخلايا، بغض النظر عن تقنيتها الفردية. تُنفذ الخلايا وظائف منطقية أو إلكترونية أخرى باستخدام تقنية دوائر متكاملة محددة. وعادةً ما يُوفر المصنّعون مكتبات من المكونات لعمليات الإنتاج الخاصة بهم، مع نماذج محاكاة تتوافق مع أدوات المحاكاة القياسية.

لا تزال معظم الدوائر التناظرية تُصمم يدويًا، مما يتطلب معرفة متخصصة خاصة بالتصميم التناظري (مثل مفاهيم المطابقة). ولذلك، فإن أدوات تصميم الدوائر الإلكترونية التناظرية أقل نمطية بكثير، نظرًا لكثرة الوظائف المطلوبة، وتفاعلها الأقوى، ومكوناتها الأقل مثالية بشكل عام.

ازدادت أهمية برامج تصميم الدوائر الإلكترونية (EDA) في مجال الإلكترونيات بشكلٍ سريع مع التطور المستمر لتكنولوجيا أشباه الموصلات. من بين مستخدمي هذه البرامج مشغلو مصانع أشباه الموصلات، بالإضافة إلى الأفراد المسؤولين عن استخدام التكنولوجيا - شركات خدمات التصميم التي تستخدم برامج EDA لتقييم جاهزية التصميمات الواردة للتصنيع. كما تُستخدم أدوات EDA لبرمجة وظائف التصميم في مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة الميدانية (FPGAs)، وهي تصميمات دوائر متكاملة قابلة للتخصيص.

## محاور تركيز البرمجيات

### تصميم
يسار|تصغير|380x380بك|برنامج التقاط المخططات

لا تزال عملية التصميم تتميز بشكل أساسي من خلال عدة مكونات رئيسية؛ وتشمل هذه المكونات ما يلي:

### محاكاة

يسار|تصغير|250x250بك|عيوب تصنيعية محاكاة، بما في ذلك عيوب الطباعة الحجرية، تظهر في وصلات معدنية صغيرة الحجم ذات خلايا قياسية.

* محاكاة الترانزستور - محاكاة الترانزستور على مستوى منخفض لسلوك المخطط/التصميم، بدقة على مستوى الجهاز.
* محاكاة المنطق - محاكاة رقمية لسلوك RTL أو قائمة البوابات الرقمية ( الخطي 0/1)، بدقة على المستوى المنطقي.
* المحاكاة السلوكية - محاكاة عالية المستوى للعملية المعمارية للتصميم، دقيقة على مستوى الدورة أو مستوى الواجهة.
* محاكاة الأجهزة – استخدام أجهزة ذات أغراض خاصة لمحاكاة منطق تصميم مقترح. يمكن أحيانًا توصيلها بنظام بدلاً من شريحة لم يتم تصنيعها بعد؛ وهذا ما يسمى **محاكاة الدائرة** .
* تقوم برامج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) بمحاكاة وتحليل تكنولوجيا العمليات الأساسية. وتُستمد الخصائص الكهربائية للأجهزة مباشرة من فيزياء الجهاز.

### التحليل والتحقق

* التحقق الوظيفي : يضمن مطابقة تصميم المنطق للمواصفات وتنفيذ المهام بشكل صحيح. يشمل التحقق الوظيفي الديناميكي عبر المحاكاة والمحاكاة والنماذج الأولية.
* فحص RTL للتحقق من الالتزام بقواعد البرمجة مثل بناء الجملة والدلالات والأسلوب.
* التحقق من عبور نطاق الساعة (فحص CDC): مشابه لعملية التدقيق اللغوي ، ولكن هذه الفحوصات/الأدوات متخصصة في اكتشاف المشكلات المحتملة والإبلاغ عنها مثل فقدان البيانات، وعدم الاستقرار بسبب استخدام نطاقات ساعة متعددة في التصميم.
* التحقق الرسمي، أو التحقق من النموذج : محاولات لإثبات، بالطرق الرياضية، أن النظام لديه خصائص مرغوبة معينة، وأن بعض التأثيرات غير المرغوبة (مثل حالة الجمود ) لا يمكن أن تحدث.
* التحقق من التكافؤ : مقارنة خوارزمية بين وصف RTL للشريحة وقائمة البوابات المركبة، لضمان التكافؤ الوظيفي على المستوى *المنطقي*.
* تحليل التوقيت الثابت : تحليل توقيت الدائرة بطريقة مستقلة عن المدخلات، وبالتالي إيجاد أسوأ حالة على جميع المدخلات الممكنة.
* استخراج التصميم : بدءًا من تصميم مقترح، يتم حساب الخصائص الكهربائية (التقريبية) لكل سلك وجهاز. غالبًا ما يُستخدم هذا الأسلوب بالتزامن مع تحليل التوقيت الثابت المذكور أعلاه لتقدير أداء الشريحة النهائية.
* تقوم برامج حل المجال الكهرومغناطيسي، أو ببساطة برامج حل المجال، بحل معادلات ماكسويل مباشرةً في حالات تصميم الدوائر المتكاملة ولوحات الدوائر المطبوعة. وهي معروفة بأنها أبطأ ولكنها أكثر دقة من استخراج التصميم المذكور أعلاه.
* التحقق المادي، PV: التحقق مما إذا كان التصميم قابلاً للتصنيع المادي، وأن الرقائق الناتجة لن تحتوي على أي عيوب مادية تمنع الوظيفة، وستفي بالمواصفات الأصلية.
* تحليل الإنتاجية : تقدير إنتاجية (وبالتالي تكلفة) الرقاقة المصنعة، وتحديد اختناقات الإنتاجية لاقتراح تغييرات مفيدة.

### التحضير للتصنيع

* إعداد بيانات القناع أو MDP - توليد أقنعة الطباعة الحجرية الفعلية، المستخدمة في تصنيع الشريحة فعليًا.
** تشمل *عملية تشطيب الرقائق* تصميمات وهياكل مخصصة لتحسين قابلية تصنيع التصميم. ومن أمثلة هذه الهياكل حلقات منع التسرب وهياكل الحشو.
** إنتاج *تخطيط شبكة التصويب* مع أنماط الاختبار وعلامات المحاذاة.
** *تحضير تخطيط القناع* الذي يُحسّن بيانات التخطيط باستخدام عمليات رسومية، مثل تقنيات تحسين الدقة (RET) - وهي طرق لزيادة جودة قناع الصور النهائي. يشمل ذلك أيضًا تصحيح التقارب البصري (OPC) أو تقنية الطباعة الحجرية العكسية (ILT) - وهي معالجة مسبقة لتأثيرات الانعراج والتداخل التي تحدث لاحقًا عند تصنيع الشريحة باستخدام هذا القناع.
** *توليد القناع* - توليد صورة قناع مسطحة من تصميم هرمي.
** *توليد أنماط الاختبار التلقائي* أو ATPG - توليد بيانات النمط بشكل منهجي لاختبار أكبر عدد ممكن من البوابات المنطقية والمكونات الأخرى.
** *الاختبار الذاتي المدمج* أو BIST – تركيب وحدات تحكم اختبار مستقلة لاختبار منطق أو بنية ذاكرة في التصميم تلقائيًا

### السلامة الوظيفية

* تحليل السلامة الوظيفية، والحساب المنهجي لمعدلات الفشل في الوقت (FIT) ومقاييس التغطية التشخيصية للتصاميم من أجل تلبية متطلبات الامتثال لمستويات سلامة السلامة المطلوبة.
* يُعنى توليف السلامة الوظيفية بإضافة تحسينات على موثوقية العناصر المهيكلة (الوحدات، وذاكرة الوصول العشوائي، وذاكرة القراءة فقط، وملفات التسجيل، ومخازن البيانات المؤقتة) لتحسين اكتشاف الأعطال وتحملها. ويشمل ذلك (على سبيل المثال لا الحصر) إضافة رموز اكتشاف الأخطاء و/أو تصحيحها (هامينغ)، ومنطق زائد لاكتشاف الأعطال وتحملها (تكرار/ثلاثي)، وفحوصات البروتوكول (تكافؤ الواجهة، ومحاذاة العناوين، وعدد النبضات).
* التحقق من السلامة الوظيفية، وإجراء حملة للكشف عن الأعطال، بما في ذلك إدخال الأعطال في التصميم والتحقق من أن آلية السلامة تتفاعل بطريقة مناسبة للأعطال التي تعتبر مشمولة.

يسار|تصغير|380x380بك|تصميم لوحة الدوائر المطبوعة ومخطط الموصل

## تقنيات التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي
تُطبق أساليب التعلم الآلي الآن في كل مرحلة رئيسية من مراحل تصميم الدوائر المتكاملة، بدءًا من التركيب عالي المستوى وحتى الموافقة النهائية. يساهم التعلم الآلي في تقليل أوقات الاستجابة وتحسين الطاقة والأداء والمساحة (PPA). ومنذ ذلك الحين، قام موردو برامج تصميم الدوائر الإلكترونية بدمج محركات تحسين مماثلة في سلاسل أدوات الإنتاج.

## نمو النظام البيئي مفتوح المصدر لبرامج تصميم الدوائر الإلكترونية
أطلق مشروع OpenROAD (أسس وتحقيق التصميم المفتوح والمتاح للجميع)، الذي جرى إطلاقه ضمن برنامج IDEA التابع لوكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA ، تدفقًا لتحويل RTL إلى GDS بدون تدخل بشري، وقد نجح في إنتاج تصاميم جاهزة للتصنيع. تُخصص مؤتمرات مثل ORConf وجلسات خارطة طريق مؤسسة FOSSi السنوية مسارات كبيرة للتقدم المحرز في مجال تصميم الدوائر الإلكترونية مفتوحة المصدر. 

## انظر أيضًا
* مخطط رسمي
* مؤتمر أتمتة التصميم

## مراجع

*
تصنيف:تصميم بمساعدة الحاسوب
تصنيف:هندسة الإلكترونيات