浅析基于EDA的一体化设计平台的关键技术

前言

随着大规模集成电路的开发应用，电子产品向复杂化、智能化、高速化、高可靠方向快速发展，特别是随着芯片技术发展和CPLD/FPGA技术的出现，电子产品原有的可靠性设计分析技术受到挑战。由于市场竞争压力和复杂电子产品对其可靠性和性能分析、优化、测试与验证等方面都有着极高要求，为缩短研制周期、节约成本、实现产品高可靠，尽早发现并排除各种设计缺陷和潜在问题已成为所有电子设计工程师追求的目标，导致了电子产品开发研制过程中对性能和可靠性一体化设计的迫切需求。美国Virginia大学在ADEPT的数字电路建模研究中较早明确地体现了这一要求，许多学者给予关注，如美国Intergraph公司发表的XFMEA、美国Wales.Aberystwyth大学发表的Flame系统等，近年来世界主要EDA厂商如Cadence、Montor、Synopsys等所开发的集成软件包中，也逐渐显现了电路性能和可靠性分析工具相结合的趋势，如BATAsoftBoard软件可以从十多种EDA工具中导入数据进行分析，其结果可直接送人Relex和RPP中进行可靠性预计。国内以北航可靠性工程研究所为代表的电路可靠性与性能一体化设计技术也是基于这一需求。

1 基于EDA的一体化设计原理

现代EDA技术的并行工程设计环境（如框架体系结构）、电路硬件描述语言、逻辑综合与测试综合工具、分析优化和验证等工具，为设计高可靠的复杂电子产品提供了保障，然而在其设计流程中仍然存在影响可靠性设计分析的不少问题。一方面，目前电子产品设计多采用EDA提供的设计输入编辑器，如通用HDL语言进行编程，设计出来的结果不管其是否转换成硬件，都存在软件可靠性问题，同时EDA的综合器和适配器所自动产生的设计结果的优劣，对系统设计的可靠性也有重要影响。另一方面，可靠性工程师和电子工程师的设计思维不同，他们是以分析和预防故障为主，而目前EDA软件包中普遍缺少分析元器件和电路故障影响的工具，已有可靠性CAD工具和EDA工具之间缺少接口和数据交联，使得电子产品的性能设计工作和可靠性设计分析工作分别独立进行，两者难以融合为一体，造成了研制费用的增加和研制周期的延长。

故障仿真最初来源于故障诊断，主要目的是验证一个测试矢量对相应故障检测的有效性。EDA环境下的电子产品故障仿真技术是在产品性能仿真基础上，模拟产品内部出现的故障，分析其对完成规定功能影响的技术。它将EDA仿真与故障注入结合起来，通过对已注入故障后的系统进行仿真分析，来考察系统的健壮性，并为产品设计改进提供依据。在EDA环境下进行电子产品的故障仿真，可以随时获得系统存在故障时的响应，便于电路设计人员测试和发现设计中未考虑的因素和薄弱的环节，方便改进电路设计，是一种实现电子产品一体化设计与分析的有效方法。

按照设计对象的不同，EDA基本设计方法可以分为IC版图设计、电路级设计、系统级设计三类，本文讨论应用EDA工具进行电路级性能和可靠性一体化设计问题。工程师完成方案设计后，根据电路原理图进行电路性能仿真以检验设计方案，仿真通过后进行PCB板的布局布线，之后还要进行PCB后分析，并将分析后的结果反馈回电路性能仿真，以检验PCB板在实际工作环境中的状态。

在电路EDA设计工作流程的基础上，考虑同步开展的可靠性设计工作项目，得到电路性能和可靠性一体化设计工作流程。工程师在初步完成原理图设计和性能仿真验证后，借助可靠性CAD工具同步完成对电路的FMEA分析、容差分析、应力和降额分析，以及潜通路分析等可靠性设计分析工作。在完成电路自动布局布线后的PCB后分析过程中，除了进行电路时序分析、热分析和电磁兼容性分析以外，还应利用热分析结果借助可靠性CAD工具，完成对电路可靠性的预计和设计准则符合性检查工作，并同步完成测试性设计和测试性参数预计的工作。

EDA工具和可靠性CAD工具之间缺少接口和数据交联，并且EDA软件包中缺少能自动分析和判定元器件故障影响的软件工具，因此直接利用现有EDA工具和可靠性CAD工具来完成的一体化设计流程是困难的，必须要建立一个软件平台来实现EDA工具和可靠性CAD工具之间的数据交联，同时需要开发一个能利用EDA仿真器实现故障仿真的软件控制工具，来满足电路性能和可靠性一体化设计的要求。根据上述分析，基于EDA的电路性能和可靠性一体化设计平台组成应，由三个部分构成。

（1）EDA工具箱：包括电路板级设计所需要的原理图和HDL编辑器、数/模混合电路仿真、参数设计和优化、印制电路板设计、热分析、电磁兼容分析、时序分析等设计工具；

（2）可靠性CAD工具箱：包括FMEA、可靠性预计、应力和降额分析、设计准则符合性检查和潜藏电路分析等可靠性分析工具以及测试性预计和故障仿真控制工具；

（3）平台的管理和控制程序：包括对各设计工具的管理和EDA工具与可靠性CAD工具间数据接口（如网表文件、电应力和热应力等数据文件）的控制，是实现一体化设计环境的核心部分。

在该软件平台的管理下，利用EDA工具进行电路性能设计的同时，能够把大量电应力和热应力的仿真数据通过软件平台所控制的数据接口，传递给可靠性CAD中的各个工具，实现EDA仿真器和可靠性CAD工具之间的完全数据联接，有效提高电路可靠性分析的自动化水平。例如电路热分析结果和电参数分析结果直接送人可靠性预计工具，可以大量减少可靠性预计的工作量，提高工作效率。另一方面为了能详细分析电路中元器件故障的影响，可利用故障仿真控制工具，将选定的元器件故障模式通过软件平台所控制的数据接口，传递回给EDA的数/模混合电路仿真器，并驱动其进行预设模式的故障仿真，同时将故障仿真结果存入故障仿真数据库。在此基础上，结合专家系统或智能化技术，就可以实现自动化程度很高的电路FMEA辅助分析和测试性预计等工作。

北航可靠性工程研究所开发了一个电子产品功能可靠性仿真平台CFRSP，其组成结构如图5所示。CFRSP由Cadence公司的Capture原理图编辑器、PSPICE A/D仿真器、Layout布线器和自行研制的仿真控制软件CFRSS组成，CFRSS中集成了故障仿真、FMEA辅助分析、可靠性预计、容差分析、温度分析、参数灵敏度分析及测试性预计等功能模块，用以完成电路设计过程的主要可靠性分析工作。CFRSS和PSPICE A/D仿真器之间，则通过仿真结果文件进行数据交换。

（1）CFRSS框架对软件进行整体控制，提供与EDA仿真器的接口，对仿真数据进行统一化处理，给各软件工具提供底层服务，使软件工具能够顺利调用EDA仿真器进行电路仿真，并对数据库进行访问。

（2）CFRSS软件工具完成各项具体的电路仿真和分析任务，通过框架来调用EDA仿真器并传输结果数据。包括：GTST功能框图、电路仿真（含性能分析、故障分析、灵敏度分析、容差分析、温度分析、性能可靠度分析）、故障判据、查询和可靠性工具（生成FMEA表、测试性预计表）等模块。

（3）CFRSS数据库保存项目全部数据，包括与具体电路仿真无关的基础数据和部分电路仿真分析结果数据。

2 实现基于EDA的一体化设计平台的关键技术

基于EDA的电子产品性能和可靠性一体化设计平台是EDA技术、可靠性技术、计算机技术、故障建模技术和信号处理识别技术的集成，平台的建立必须解决以下关键技术。

2.1 电路故障建模技术

电路故障建模是对各类元器件故障模式建立故障模型电路，并保证该模型能够准确反映故障模式内涵的过程。EDA环境下建立电路故障仿真模型的实质，就是在电路的正常状态模型中加入对故障影响因素的模拟和描述。故障模型建立都是基于器件故障表现形式，不需考虑器件内部结构，但考虑故障引脚和模型参数。故障模型主要分为三种类型：引脚类、模型参数类、引脚与参数相结合类。为了不改变电路原有的网络结构，可采用了元器件模型重组法来建立电路故障仿真模型。

该方法要点是建立元器件失效模式的故障模型，并与元器件初始模型连接形成故障模型，该方法不需要考虑元器件的内部结构，仅考虑元器件发生失效的引脚，通用性强。

依据该方法可建立各类元器件故障模式（包括开路、短路、参数漂移、输出失效、性能退化等）的模型，用于元器件模型重组。以运算放大器“功能失效”为例，集成运放的输出电压与输入电压（即同相输入端与反相输入端之间的差值电压）之间满足电压传输特性关系曲线，当运算放大器功能失效时，可以用输入端电压差为0，即输入端短路方式来模拟。

2.2 故障注入技术

故障注入技术起源于20世纪70年代，目前国外复杂电子系统的设计及测试已经广泛地使用故障注入技术。该技术主要分为三类：直接针对硬件系统的物理故障注入、软件故障注入和基于仿真的故障注入。这里采用的是基于EDA仿真软件的故障注入技术，是指加载元器件故障仿真模型到电路正常仿真模型当中的过程，不包括硬件故障注入，仅为软件故障注入。它是按指定元器件失效模式，通过对EDA的电路正常状态仿真模型的修改，形成元器件的失效模式模型，从而生成电路的故障状态仿真模型。一般采用三种方法：修改电路原理图、修改网络拓扑文件或修改模型定义。其本质都是将元器件模型重组后的故障模型代替原有的器件模型，从而形成具有故障因素描述的电路网络拓扑。

2.3 EDA数据接口技术

EDA工具和可靠性CAD工具之间缺乏数据共享和数据交换，成为阻碍电路实现性能和可靠性一体化设计的主要难题之一，目前电路可靠性设计分析工作中常见的FMEA和可靠性预计等工作不能实现自动化也是同样原因。当前不同EDA厂商的仿真工具，在对外交换数据时在数据结构和存储格式上千差万别，造成它和可靠性CAD工具间数据传递的困难，因而设计通用的数据接口是不可能的，只能针对具体EDA仿真工具进行专门开发。

与EDA工具的接口技术具体可分为三部分内容：电路故障模型的注入、仿真数据的分析处理，以及仿真循环控制和出错控制。故障注入部分，是根据元器件的故障模式对EDA相应的文件进行更改和控制，与仿真的输入文件有关；数据处理部分，是将每次电路仿真的结果按照控制平台的要求提取所需数据并进行标准化处理，从而可以用于各种可靠性分析，它与仿真的输出文件有关；鉴于大量故障仿真分析的要求及仿真软件自身的原因，仿真过程会造成仿真时间的剧烈膨胀及仿真溢出等问题，仿真循环及出错控制即是对此加以限定和控制，以缩短仿真时间并剔出仿真溢出所产生的无效数据，它主要与仿真的输出文件有关。因此对仿真软件接口文件的研究是实现接口技术的前提。

2.4 EDA仿真器集成技术

电路的自动故障仿真过程需要将EDA仿真软件作为内核仿真器，实现对EDA仿真器的集成和自动调用。通常EDA仿真软件内部都有一个核心仿真模块，例如OrCAD/Pspice将Pspice A/D作为其仿真器，Mentor Graphics的仿真器为Analog Designer。各仿真器都是通过仿真内核来实现仿真服务的，如Pspice A/D作为仿真内核SimServer的客户，向SimServer请求仿真服务。因此实现EDA仿真器的自动调用可以采用两种方法：一是服务方式，利用COM机制实现对仿真内核的直接控制；二是过程调用方式，通过命令行调用直接对仿真器进行控制。

（1）服务方式

仿真内核在与仿真器的交互过程中会提供多个服务接口，而仿真内核通常都是基于COM机制实现的，通过COM机制直接调用仿真内核的接口函数，可实现对仿真内核的无缝集成。通过对不同函数的调用可以分别实现对仿真任务的加载、暂停、终止等。该实现方式是将EDA仿真器作为一个服务程序等待仿真任务，可以直接对仿真任务的执行过程进行监控，控制灵活、效率高。

（2）过程调用方式

EDA仿真器一般都提供了面向用户的接口，可以将仿真器作为一般命令来调用，通过命令行参数来传递数据。每次仿真，系统通过命令来创建和撤销EDA仿真器进程。

2.5 故障的自动判定技术

产品功能状态的判定过程都由系统设计人员按照技术规范的要求进行，首先对产品进行故障定义，然后进行故障的定量化处理，给出具体指标，再对仿真结果进行判定。依据电路仿真结果和工程师给定的故障判据，由计算机自动进行判别，是实现电路故障自动判定和FMEA自动化分析的关键，对电路中数字量和模拟量中直流信号的自动判定相对简单，对模拟量中瞬态信号的自动判定则十分复杂，要按照信号的具体类型，选取合适的非波形特征参数（包括信号最大值、最小值、有效值、均值等）和波形特征参数（如周期、有效值、峰值等），通过快速计算待判定信号的特征参数值来进行判定。

2.6 故障仿真效率改进技术

在故障仿真分析过程中一个突出问题，是仿真计算时间过长和大批量仿真数据对计算机资源的需求问题，如利用的CFRSP系统，对包含约200个器件的数模混合电路（含FPGA）进行一次性能仿真，在主频2GHz的工作站上进行计算约需要8min，并产生60M数据，如果该电路需要分析5000个故障模式，则总仿真时间将近700h（约28天），并产生300G数据。通常随着电路规模和待分析的故障模式规模的增加，仿真计算时间和数据量会以指数增加，即使采用了系统分层仿真技术，故障仿真在时间和数据存储上的消耗，对于单机系统而言仍无法满足工程应用的需要，为此应采用分布式计算技术提高仿真效率。

计算网格是一种无缝的、集成的计算和协作环境，它通过协同非集中控制的分布的异构资源，包括超级计算机、大规模存储系统、个人计算机、各种设备等，向用户提供超级计算能力，从而能够以方便的形式解决各种复杂问题。北航可靠性工程研究所以TyrensGrid为基础，在CFRPS平台基础上开发了基于网格计算的一体化设计平台TG_CFRS。在TG-CFRS试验环境中，共有20台PC机作为TyrensGrid网格的节点，在对前文提及案例进行分析时，仅需要不到36h即完成了共5000个模式的故障仿真计算任务。在基于网格的环境中，将一个大的用户任务分割成一些小的任务，然后分给网格中的每个节点进行处理，除了通信消耗之外，网格的计算能力基本上是各网格节点能力的加和。由于在故障仿真中通信量比较小，仿真计算时间基本上就是总的任务时间与网格节点数量之比，所以随着网格节点的增多，上述仿真时间会随之减少。

3 结语

EDA技术发展的日益成熟给实现电子产品一体化设计提供了有力技术支持，而实现电子产品性能和可靠性一体化设计的关键，是建立综合设计环境和解决EDA工具与可靠性CAD工具间的数据接口以及电路故障仿真等技术问题。本文介绍的电路故障建模方法、故障注入方法、故障判定方法、数据接口和EDA集成技术，以及基于EDA的电路性能和可靠性一体化设计平台等，为该技术的推广和工程应用提供了重要支撑。
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