芯事重重– EDA的前生今世4(转）早期CAD在IC领域的发展（上）

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第三章：早期 CAD 在集成电路领域的发展

商用 CAD 系统开始进入工业界之后，给集成电路设计和制造领域带来了“工业革命”一般的变化。

经过电子化和数控化改造之后的集成电路行业，开始突破人类工程师的能力极限，无论是规则检查，还是图形生成都出现了效率的爆炸式提升。基于人工的方法从此一去不复返了。

本章将聚焦在集成电路设计与制造，看看 CAD 系统是如何实现辅助工作。其中，军事应用的需求成为 CAD 系统不断升级换代的根本动力。随后，我们会讨论 CAD 软件的发展情况，如操作系统和 IT 环境等。

最后，我们会以英特尔公司的早期集成电路 CAD 环境为例，观察 1980 年代的 CAD 系统是如何辅助集成电路的设计与制造。

3.1 早期集成电路CAD系统

我们来看看 1970 年代 CAD 硬件系统应用在集成电路设计时的样子。

摩托罗拉公司是当时较早采用 CAD 系统进行集成电路设计与制造的公司之一。该公司 CAD 系统的输入端是一个打孔卡接收设备，这是摩托罗拉公司自己设计的自动化设备，简称 MAGIC，用来识别和标注电路类型，以及它们之间的连接关系。

然后，数据会通过数字化仪（Digitizer）将这些数据做数字化处理。工程师可以通过光笔、功能面板、打字机等进行操作，并在 CRT 显示器上进行互动。

其中，摩托罗拉公司自己设计的 CAD 软件 MARS，可以用来进行自动化的布局和布线。这些设备都被接入 CDC 1700 计算机上，从而获得计算能力。数字化仪是来自 Autotrol Tech 公司的 Model 3400。最终的版图文件会通过 Gerber 公司的 2032 绘图仪进行输出。

这些计算机设备在 1970 年代已经实现了小型化，成本也比 1960 年代的大型机要低了很多。因此，CAD 软件的重要性就开始凸显出来。开发这样的专用软件所耗费的人力和机器成本，已经开始占据一定比例。

这些硬件设备中，有几个设备值得一提。例如，摩托罗拉公司自己开发的MAGIC 系统，可以进行非常初级的单元逻辑组合与互联。它会根据逻辑设计内容，将多个逻辑单元映射成原理图（Schematic Diagram），从而为形成芯片布局和版图做好了准备。

既然有了原理图，摩托罗拉公司开发了 MARS 软件来进行单元放置和布线。对于单元放置来说，当时的挑战几乎不存在，只要用一些简单的公式来进行评价，让所有单元尽可能放得紧凑一些就可以了。

对于布线来说，需要将所有连接这些单元的互联线按照一定规则进行排布。当时的挑战主要是有限层数的金属线，只有两层，一层走水平线，一层走垂直线。因此，如何避免开路和短路就是核心问题。

自动化布线的算法是基于最古老的“ Lee 算法”加工而来，对于 100-300个晶体管的芯片来说，用当时的 CDC 1700 计算机大约要运行 5-10 分钟。

当时，CAD 系统里已经引入了单元库的概念。为了能实现更高的设计效率，我们显而易见地会想到把各种逻辑门的布局图提前制作成具有相同高度的矩形，而单元的宽度可能会因为逻辑功能的复杂度而有所不同。

当这些单元的大体形状确定之后，对 CAD 程序来说会轻松很多，至少不需要考虑布局上出现一些不规则图形。在未来，我们面临的挑战会远比当时的多。

面对挑战，我们会采用层层抽象和简化的思维方式来拆解复杂的问题。能支撑我们这样做的前提条件，就是计算机算力的不断增强，反而也推动软件的更新与进步，从而实现一个不断向前滚动的飞轮。

今天，我们评价芯片布局设计的优劣，往往有很多数据指标和图形化的版图显示。这对于当时的计算机来说，计算的负担会非常重，根本无法实现。特别是 CRT 显示器的分辨率决定了工程师能够看到的内容量与呈现方式。

如果，我们要去调试各种编程问题，可以在程序里插入各种检查点，然后输出运行过程中的信息来判断问题。为了能更加直观地观察状态，我们甚至会把信息转化成图表、波形等图形信息来高效地调试。

然而，这在当时是做不到的。由于计算机的计算能力有限，显示器的输出能力有限，我们不得不把大量的数据直接打印到纸张上，给工程师提供参考。

今天，我们也会用一些的专用软件来进行检查。一些少量的违例就顺手给修复了。我们会利用键盘上的组合键或者快捷键来启动一些操作，例如拉伸、删除、复制、选中等等，然后用鼠标对目标进行操作。

当时，工程师需要采用光笔在 CRT 显示器上来进行类似鼠标的操作，并在专门设计的控制板上选择目标功能。最后，如前文所述，布局信息要存储到磁带里来交付给制造车间。

为了实现光刻，我们需要提前制备用于遮光的掩膜版（mask artwork）。可以说，我们的芯片物理设计就在设计这样的掩膜版图案。

原始的图样被称作 artwork，而制备出来的掩膜版就是 mask。

总体来说，在集成电路设计与制造环节引入 CAD 系统，大大加速了整个流程的周转时间。按照摩托罗拉公司当时的经验，一天之内就可以获得完整的布局信息，其效果可以跟具有丰富经验工程师所设计的布局效果一样好。

相比而言，要完成一个具有 150 个单元的芯片布局，采用传统人工手段需要至少四名工程师一周的时间。而采用 CAD 系统，可以将整个工作缩短到一名工程师一天的时间。

这样的效率在当时已经足够令人惊叹，但成本也同样很高。不过，当一个芯片布局完成之后，它可以通过制造来不断复制自己，从而摊薄了成本。这可以让工程师和企业将更多的注意力放在芯片的功能定义上，从而创造出各种各样功能的芯片。

摩托罗拉公司并不是第一个用 CAD 系统来进行芯片设计的公司，而是仙童公司（Fairchild）。

仙童在1967年用 CAD 系统完成的一款芯片名为 Micromosaic。它包含了150个不同种类的逻辑门，总面积大约是0.15平方英呎。仙童公司作为半导体行业的始祖级代表，它对于后来硅谷的形成与发展起到了开端式的作用。

3.2 军事应用推动CAD发展

随着半导体集成电路的发展，到了 1970 年代末期，整个行业都在思考未来。根据当时行业普遍的预期，大规模集成（LSI）时代将升级到超大规模集成（VLSI）时代。也就是说，集成上万个晶体管的芯片会很快出现。

因此，整个行业在进入 1980 年代之前，都处于一种技术“焦虑”中。当时的集成电路还没有像今天一样，应用在各式各样的电子设备中。

美国的集成电路主要用户是政府部门、军队、航空航天、武器制造商等等。因此，技术焦虑的主要来源是军事系统的升级。前文提到，麻省理工学院的一些计算机项目和 CAD 项目中，军队的投资占很大的比例。

尽管 CAD 系统已经开始在集成电路设计和制造中得到了应用，但是出于成本和资金的考虑，大量芯片还是通过人工定制设计。另一方面，军用的设备往往需要高可靠性，让 CAD 系统彻底征服人类工程师，还需要一些时间。

今天，我们常用的标准单元和门级阵列技术都是在美国政府参与和推动中出现的设计方法学。我们很难去说明，这些方法学和 CAD 系统到底是谁推动了谁。但我们可以看到的是，设计方法学的演进和 CAD 技术已经深深地交织在一起。

为了应对 VLSI 时代，美国国防部积极推动 CAD 技术的发展，甚至在一些与 CAD 相关的国防合同里专门增加了预算。其中，美国国防部主导的超高速集成电路项目（VHSIC）就是最佳典范。

美国国防部认为未来的 CAD 系统需要达成一些目标。例如，能负载更大规模的芯片设计，设计运行的周转时间要更快。当时，很多 CAD 系统都要依附于大型计算机，因此美国国防部建议设计专用的 CAD 计算机，或者采用小型计算机。

这样的思路被指导出来后，各个计算机制造公司也着力推动小型机的发展。例如，Prime 公司的 PRIME 550 系列 32 位小型机，因价格低至 1.75 万美元而让这样的目标成为了可能。

针对 CAD 的应用场景，这些小型机需要具备大型计算机类似的计算能力、更大容量的内存，还要提供更大容量的缓存，并且允许多个用户同时使用。

1980 年，美国陆军蒙默思堡（Monmouth）电子技术设备实验室开发了一套基于小型机的独立 CAD 系统——ERADCOM。在这个系统里，CAD 的功能已经成为基本操作，设计自动化（design automation，DA）开始成为了主要的亮点。

因此，这个系统已经不能简单定义为 CAD 系统，而是 CAD-DA 系统。这套系统构建于 PRIME 550 小型计算机上，并且配备了一个磁带工作站，两个视频接口，一台打印机，以及一个读（打孔）卡器。

软件方面，ERADCOM 系统安装了该实验室自己研发的 CAD 软件，主要应用包括：自动化布局和验证、自动化单元放置和布线、微模块的自动放置和布线，以及符号化原理图生成。

这套独立 CAD 系统和之前基于大型计算机的 CAD 系统相比，工作原理上并没有太大的差别，因其采用了独立的小型计算机，让未来的专用工作站成为了可能。

另一方面，国防部也启动了另一个重大计划，以满足未来军事系统的需求，同时提高美国电子行业的能力。这项被称为超高速集成电路（VHSIC）的计划，让国防部过了一把产品经理的瘾。

整个 VHSIC 计划主要划分成两个阶段：

1. 1984 年左右，集成电路特征工艺尺寸进入 1.25 微米

2. 1986 年左右，集成电路特征工艺尺寸进入亚微米（小于1微米）

该计划定义了一个 DAST 的概念，也就是设计、架构、软件和测试（Design、Architeture、Software和Test）。它要求行业去开发并推动结构化和层次化的芯片设计方法学，并且建议用CAD 系统进行实施。

这些开发目标都是针对军事系统中的信号链路、数据处理等问题，希望能推动行业开发出更高性能、更低成本的应用程序。

国防部要求建立通用的描述语言将版图设计传递到制造部门。同时，还要求建立或使用通用的测试集和测试语言，例如国防部推荐的 ATLAS 语言。

除此之外，国防部还要求它的芯片供应商们在 CAD 系统、半导体制造系统和测试系统之间的数据传输格式进行统一。也就是说，国防部想通过建立一系列更加高级的描述语言，在整个产业链上实现标准化。

根据这些建议，VHSIC 计划将 CAD 技术纳入整个芯片设计过程中，包括功能定义、逻辑设计、功能验证、物理设计、版图验证、测试设计等等，以期望提高可靠性。

于是，VHSIC 计划被拆解成了多个国防合同。这些合同参与方不仅仅有当时大型军工企业、政府资助的实验室，还有一些研究型大学。