前言

隨著大規模集成電路的開發應用，電子產品向復雜化、智能化、高速化、高可靠方向快速發展，特別是隨著芯片技術發展和CPLD/FPGA技術的出現，電子產品原有的可靠性設計分析技術受到挑戰。由于市場競爭壓力和復雜電子產品對其可靠性和性能分析、優化、測試與驗證等方面都有著極高要求，為縮短研制周期、節約成本、實現產品高可靠，盡早發現并排除各種設計缺陷和潛在問題已成為所有電子設計工程師追求的目標，導致了電子產品開發研制過程中對性能和可靠性一體化設計的迫切需求。美國Virginia大學在ADEPT的數字電路建模研究中較早明確地體現了這一要求，許多學者給予關注，如美國Intergraph公司發表的XFMEA、美國Wales.Aberystwyth大學發表的Flame系統等，近年來世界主要EDA廠商如Cadence、Montor、Synopsys等所開發的集成軟件包中，也逐漸顯現了電路性能和可靠性分析工具相結合的趨勢，如BATAsoftBoard軟件可以從十多種EDA工具中導入數據進行分析，其結果可直接送人Relex和RPP中進行可靠性預計。國內以北航可靠性工程研究所為代表的電路可靠性與性能一體化設計技術也是基于這一需求。

1 基于EDA的一體化設計原理

現代EDA技術的并行工程設計環境（如框架體系結構）、電路硬件描述語言、邏輯綜合與測試綜合工具、分析優化和驗證等工具，為設計高可靠的復雜電子產品提供了保障，然而在其設計流程中仍然存在影響可靠性設計分析的不少問題。一方面，目前電子產品設計多采用EDA提供的設計輸入編輯器，如通用HDL語言進行編程，設計出來的結果不管其是否轉換成硬件，都存在軟件可靠性問題，同時EDA的綜合器和適配器所自動產生的設計結果的優劣，對系統設計的可靠性也有重要影響。另一方面，可靠性工程師和電子工程師的設計思維不同，他們是以分析和預防故障為主，而目前EDA軟件包中普遍缺少分析元器件和電路故障影響的工具，已有可靠性CAD工具和EDA工具之間缺少接口和數據交聯，使得電子產品的性能設計工作和可靠性設計分析工作分別獨立進行，兩者難以融合為一體，造成了研制費用的增加和研制周期的延長。

故障仿真最初來源于故障診斷，主要目的是驗證一個測試矢量對相應故障檢測的有效性。EDA環境下的電子產品故障仿真技術是在產品性能仿真基礎上，模擬產品內部出現的故障，分析其對完成規定功能影響的技術。它將EDA仿真與故障注入結合起來，通過對已注入故障后的系統進行仿真分析，來考察系統的健壯性，并為產品設計改進提供依據。在EDA環境下進行電子產品的故障仿真，可以隨時獲得系統存在故障時的響應，便于電路設計人員測試和發現設計中未考慮的因素和薄弱的環節，方便改進電路設計，是一種實現電子產品一體化設計與分析的有效方法。

按照設計對象的不同，EDA基本設計方法可以分為IC版圖設計、電路級設計、系統級設計三類，本文討論應用EDA工具進行電路級性能和可靠性一體化設計問題。工程師完成方案設計后，根據電路原理圖進行電路性能仿真以檢驗設計方案，仿真通過后進行PCB板的布局布線，之后還要進行PCB后分析，并將分析后的結果反饋回電路性能仿真，以檢驗PCB板在實際工作環境中的狀態。

在電路EDA設計工作流程的基礎上，考慮同步開展的可靠性設計工作項目，得到電路性能和可靠性一體化設計工作流程。工程師在初步完成原理圖設計和性能仿真驗證后，借助可靠性CAD工具同步完成對電路的FMEA分析、容差分析、應力和降額分析，以及潛通路分析等可靠性設計分析工作。在完成電路自動布局布線后的PCB后分析過程中，除了進行電路時序分析、熱分析和電磁兼容性分析以外，還應利用熱分析結果借助可靠性CAD工具，完成對電路可靠性的預計和設計準則符合性檢查工作，并同步完成測試性設計和測試性參數預計的工作。

EDA工具和可靠性CAD工具之間缺少接口和數據交聯，并且EDA軟件包中缺少能自動分析和判定元器件故障影響的軟件工具，因此直接利用現有EDA工具和可靠性CAD工具來完成的一體化設計流程是困難的，必須要建立一個軟件平臺來實現EDA工具和可靠性CAD工具之間的數據交聯，同時需要開發一個能利用EDA仿真器實現故障仿真的軟件控制工具，來滿足電路性能和可靠性一體化設計的要求。根據上述分析，基于EDA的電路性能和可靠性一體化設計平臺組成應，由三個部分構成。

（1）EDA工具箱：包括電路板級設計所需要的原理圖和HDL編輯器、數/模混合電路仿真、參數設計和優化、印制電路板設計、熱分析、電磁兼容分析、時序分析等設計工具；

（2）可靠性CAD工具箱：包括FMEA、可靠性預計、應力和降額分析、設計準則符合性檢查和潛藏電路分析等可靠性分析工具以及測試性預計和故障仿真控制工具；

（3）平臺的管理和控制程序：包括對各設計工具的管理和EDA工具與可靠性CAD工具間數據接口（如網表文件、電應力和熱應力等數據文件）的控制，是實現一體化設計環境的核心部分。

在該軟件平臺的管理下，利用EDA工具進行電路性能設計的同時，能夠把大量電應力和熱應力的仿真數據通過軟件平臺所控制的數據接口，傳遞給可靠性CAD中的各個工具，實現EDA仿真器和可靠性CAD工具之間的完全數據聯接，有效提高電路可靠性分析的自動化水平。例如電路熱分析結果和電參數分析結果直接送人可靠性預計工具，可以大量減少可靠性預計的工作量，提高工作效率。另一方面為了能詳細分析電路中元器件故障的影響，可利用故障仿真控制工具，將選定的元器件故障模式通過軟件平臺所控制的數據接口，傳遞回給EDA的數/模混合電路仿真器，并驅動其進行預設模式的故障仿真，同時將故障仿真結果存入故障仿真數據庫。在此基礎上，結合專家系統或智能化技術，就可以實現自動化程度很高的電路FMEA輔助分析和測試性預計等工作。

北航可靠性工程研究所開發了一個電子產品功能可靠性仿真平臺CFRSP，其組成結構如圖5所示。CFRSP由Cadence公司的Capture原理圖編輯器、PSPICE A/D仿真器、Layout布線器和自行研制的仿真控制軟件CFRSS組成，CFRSS中集成了故障仿真、FMEA輔助分析、可靠性預計、容差分析、溫度分析、參數靈敏度分析及測試性預計等功能模塊，用以完成電路設計過程的主要可靠性分析工作。CFRSS和PSPICE A/D仿真器之間，則通過仿真結果文件進行數據交換。

（1）CFRSS框架對軟件進行整體控制，提供與EDA仿真器的接口，對仿真數據進行統一化處理，給各軟件工具提供底層服務，使軟件工具能夠順利調用EDA仿真器進行電路仿真，并對數據庫進行訪問。

（2）CFRSS軟件工具完成各項具體的電路仿真和分析任務，通過框架來調用EDA仿真器并傳輸結果數據。包括：GTST功能框圖、電路仿真（含性能分析、故障分析、靈敏度分析、容差分析、溫度分析、性能可靠度分析）、故障判據、查詢和可靠性工具（生成FMEA表、測試性預計表）等模塊。

（3）CFRSS數據庫保存項目全部數據，包括與具體電路仿真無關的基礎數據和部分電路仿真分析結果數據。

2 實現基于EDA的一體化設計平臺的關鍵技術

基于EDA的電子產品性能和可靠性一體化設計平臺是EDA技術、可靠性技術、計算機技術、故障建模技術和信號處理識別技術的集成，平臺的建立必須解決以下關鍵技術。

2.1 電路故障建模技術

電路故障建模是對各類元器件故障模式建立故障模型電路，并保證該模型能夠準確反映故障模式內涵的過程。EDA環境下建立電路故障仿真模型的實質，就是在電路的正常狀態模型中加入對故障影響因素的模擬和描述。故障模型建立都是基于器件故障表現形式，不需考慮器件內部結構，但考慮故障引腳和模型參數。故障模型主要分為三種類型：引腳類、模型參數類、引腳與參數相結合類。為了不改變電路原有的網絡結構，可采用了元器件模型重組法來建立電路故障仿真模型。

該方法要點是建立元器件失效模式的故障模型，并與元器件初始模型連接形成故障模型，該方法不需要考慮元器件的內部結構，僅考慮元器件發生失效的引腳，通用性強。

依據該方法可建立各類元器件故障模式（包括開路、短路、參數漂移、輸出失效、性能退化等）的模型，用于元器件模型重組。以運算放大器“功能失效”為例，集成運放的輸出電壓與輸入電壓（即同相輸入端與反相輸入端之間的差值電壓）之間滿足電壓傳輸特性關系曲線，當運算放大器功能失效時，可以用輸入端電壓差為0，即輸入端短路方式來模擬。

2.2 故障注入技術

故障注入技術起源于20世紀70年代，目前國外復雜電子系統的設計及測試已經廣泛地使用故障注入技術。該技術主要分為三類：直接針對硬件系統的物理故障注入、軟件故障注入和基于仿真的故障注入。這里采用的是基于EDA仿真軟件的故障注入技術，是指加載元器件故障仿真模型到電路正常仿真模型當中的過程，不包括硬件故障注入，僅為軟件故障注入。它是按指定元器件失效模式，通過對EDA的電路正常狀態仿真模型的修改，形成元器件的失效模式模型，從而生成電路的故障狀態仿真模型。一般采用三種方法：修改電路原理圖、修改網絡拓撲文件或修改模型定義。其本質都是將元器件模型重組后的故障模型代替原有的器件模型，從而形成具有故障因素描述的電路網絡拓撲。

2.3 EDA數據接口技術

EDA工具和可靠性CAD工具之間缺乏數據共享和數據交換，成為阻礙電路實現性能和可靠性一體化設計的主要難題之一，目前電路可靠性設計分析工作中常見的FMEA和可靠性預計等工作不能實現自動化也是同樣原因。當前不同EDA廠商的仿真工具，在對外交換數據時在數據結構和存儲格式上千差萬別，造成它和可靠性CAD工具間數據傳遞的困難，因而設計通用的數據接口是不可能的，只能針對具體EDA仿真工具進行專門開發。

與EDA工具的接口技術具體可分為三部分內容：電路故障模型的注入、仿真數據的分析處理，以及仿真循環控制和出錯控制。故障注入部分，是根據元器件的故障模式對EDA相應的文件進行更改和控制，與仿真的輸入文件有關；數據處理部分，是將每次電路仿真的結果按照控制平臺的要求提取所需數據并進行標準化處理，從而可以用于各種可靠性分析，它與仿真的輸出文件有關；鑒于大量故障仿真分析的要求及仿真軟件自身的原因，仿真過程會造成仿真時間的劇烈膨脹及仿真溢出等問題，仿真循環及出錯控制即是對此加以限定和控制，以縮短仿真時間并剔出仿真溢出所產生的無效數據，它主要與仿真的輸出文件有關。因此對仿真軟件接口文件的研究是實現接口技術的前提。

2.4 EDA仿真器集成技術

電路的自動故障仿真過程需要將EDA仿真軟件作為內核仿真器，實現對EDA仿真器的集成和自動調用。通常EDA仿真軟件內部都有一個核心仿真模塊，例如OrCAD/Pspice將Pspice A/D作為其仿真器，Mentor Graphics的仿真器為Analog Designer。各仿真器都是通過仿真內核來實現仿真服務的，如Pspice A/D作為仿真內核SimServer的客戶，向SimServer請求仿真服務。因此實現EDA仿真器的自動調用可以采用兩種方法：一是服務方式，利用COM機制實現對仿真內核的直接控制；二是過程調用方式，通過命令行調用直接對仿真器進行控制。

（1）服務方式

仿真內核在與仿真器的交互過程中會提供多個服務接口，而仿真內核通常都是基于COM機制實現的，通過COM機制直接調用仿真內核的接口函數，可實現對仿真內核的無縫集成。通過對不同函數的調用可以分別實現對仿真任務的加載、暫停、終止等。該實現方式是將EDA仿真器作為一個服務程序等待仿真任務，可以直接對仿真任務的執行過程進行監控，控制靈活、效率高。

（2）過程調用方式

EDA仿真器一般都提供了面向用戶的接口，可以將仿真器作為一般命令來調用，通過命令行參數來傳遞數據。每次仿真，系統通過命令來創建和撤銷EDA仿真器進程。

2.5 故障的自動判定技術

產品功能狀態的判定過程都由系統設計人員按照技術規范的要求進行，首先對產品進行故障定義，然后進行故障的定量化處理，給出具體指標，再對仿真結果進行判定。依據電路仿真結果和工程師給定的故障判據，由計算機自動進行判別，是實現電路故障自動判定和FMEA自動化分析的關鍵，對電路中數字量和模擬量中直流信號的自動判定相對簡單，對模擬量中瞬態信號的自動判定則十分復雜，要按照信號的具體類型，選取合適的非波形特征參數（包括信號最大值、最小值、有效值、均值等）和波形特征參數（如周期、有效值、峰值等），通過快速計算待判定信號的特征參數值來進行判定。

2.6 故障仿真效率改進技術

在故障仿真分析過程中一個突出問題，是仿真計算時間過長和大批量仿真數據對計算機資源的需求問題，如利用的CFRSP系統，對包含約200個器件的數模混合電路（含FPGA）進行一次性能仿真，在主頻2GHz的工作站上進行計算約需要8min，并產生60M數據，如果該電路需要分析5000個故障模式，則總仿真時間將近700h（約28天），并產生300G數據。通常隨著電路規模和待分析的故障模式規模的增加，仿真計算時間和數據量會以指數增加，即使采用了系統分層仿真技術，故障仿真在時間和數據存儲上的消耗，對于單機系統而言仍無法滿足工程應用的需要，為此應采用分布式計算技術提高仿真效率。

計算網格是一種無縫的、集成的計算和協作環境，它通過協同非集中控制的分布的異構資源，包括超級計算機、大規模存儲系統、個人計算機、各種設備等，向用戶提供超級計算能力，從而能夠以方便的形式解決各種復雜問題。北航可靠性工程研究所以TyrensGrid為基礎，在CFRPS平臺基礎上開發了基于網格計算的一體化設計平臺TG_CFRS。在TG-CFRS試驗環境中，共有20臺PC機作為TyrensGrid網格的節點，在對前文提及案例進行分析時，僅需要不到36h即完成了共5000個模式的故障仿真計算任務。在基于網格的環境中，將一個大的用戶任務分割成一些小的任務，然后分給網格中的每個節點進行處理，除了通信消耗之外，網格的計算能力基本上是各網格節點能力的加和。由于在故障仿真中通信量比較小，仿真計算時間基本上就是總的任務時間與網格節點數量之比，所以隨著網格節點的增多，上述仿真時間會隨之減少。

3 結語

EDA技術發展的日益成熟給實現電子產品一體化設計提供了有力技術支持，而實現電子產品性能和可靠性一體化設計的關鍵，是建立綜合設計環境和解決EDA工具與可靠性CAD工具間的數據接口以及電路故障仿真等技術問題。本文介紹的電路故障建模方法、故障注入方法、故障判定方法、數據接口和EDA集成技術，以及基于EDA的電路性能和可靠性一體化設計平臺等，為該技術的推廣和工程應用提供了重要支撐。
? ? ? ?責任編輯：tzh