EDA工具对芯片产业的重要性知识

霜降

科普：EDA工具对芯片产业的重要性知识

什么是EDA？

EDA全称是电子设计自动化，是一种工业软件，所有的芯片公司都在用各种各样的EDA软件，来辅助完成芯片的设计。

DEA软件有很明显的杠杆效应。EDA本身的市场规模其实并没有很大，只占119亿美元的市场份额但却直接撬动了4400亿美元的全球半导体产业，也就是如果EDA出现问题，那么整个芯片产业都会受到重大的冲击。光刻机是整个芯片产业的关键环节，但DEA软件虽然不为人所知，但重要性却不输光刻机的关键领域。

芯片设计主要流程理解

芯片的设计的主要流程可以分为前端和后端，前端负责芯片的逻辑电路设计，包括系统架构的定义，RTL编码，逻辑综合，这期间会进行多次的仿真和验证，最终得到门级的网表。后端主要负责芯片的物理设计，包括布局规划，时钟树综合，布线，参数提取等等步骤，最终会得到一个芯片电路的物理版图，然后提供给晶圆厂去制造。简单来说，前端就是这个芯片是什么，他有哪些部分，后端是这个芯片的各个部分长什么样子。比如盖房子，前端是画出这个房子的设计图，比如有几个房间，每个房间是餐厅还是卧室，后端设计就是按照设计图，画出这个房子的施工图纸，包括建筑施工的时候需要哪些步骤，用钢结构还是用砖结构，怎么做防水，怎么拉网线走水电等。建筑队就是晶圆代工厂，就可以拿着施工图纸去把芯片造出来了。

EDA工具最大的好处，就是能极大的缩短芯片设计的时间，从而提升芯片设计的效率。手动画电路图可能又慢又容易出错，但是用计算机几分钟就完成了，而且还可以去随便的修改。时间就是金钱，越早让芯片制造出来，就能越早的去占据市场先机。在前端和后端的每个步骤和流程里，都需要用到各种各样的EDA工具。

EDA工具举例

新思科技是全球最大的EDA公司，比如拿它的EDA工具来举例，看看芯片设计流程中需要用到多少个EDA工具。

比如要做一个简单的加法电路，比如a+b=c，我们需要先用Verilog，或者VHDL这些硬件专用语言，把这个加法电路实现出来，为了验证加法的功能是不是正确，就要用EDA的仿真软件，比如新思的VCS和VC Formal，让a=1,b=1,看c是不是等于2。如果输入1+1，结果等于3，那么就需要调试软件，比如Verdi来确定问题出现在什么地方，还需要用到静态和动态的分析软件，比如SpyGlass来诊断分析电路是否有一些潜在的问题。如果代码没有问题就可以去编译了，这在芯片设计里叫做综合Synthesis。综合的结果就是生成一堆互相连接的门电路，也叫做网表，这就需要使用专门的综合工具 Design Complier综合生成网表，再用IC Compiler做布局布线，用Prime Time做时序分析，用PrimePower做功耗优化，用IC Validator做物理验证，用StarRC做寄生参数提取等等，最终生成一个符合设计要求，也符合晶圆代工厂要求的GDSII文件，这个文件就被拿去做流片生产。

上面介绍的这些EDA软件，只是整个EDA工具库的九牛一毛。规模比较大的芯片公司，都会根据自己具体的产品和技术，在每个环节采用不同的工具，这种定制化的方法比较高效，但是对技术的要求比较高，只有大公司玩的起。其它中小规模的公司，可能就直接使用EDA厂商提供的完整方案了。比如Synopsys的Fusion Compiler，直接就能从RTL硬件语言到GDSII版图一步到位。

EDA工具发展

整个芯片设计的流程里，用到了大量的EDA工具，DEA工具的好坏，对于芯片的性能功耗和面积（Performance, Power, Area, PPA）有决定性的影响。同样一段代码，不同的工具会做出截然不同的芯片，EDA的发展也不是一成而就的，而是经历了四个主要的阶段，分别是计算机辅助设计，计算机辅助工程，传统EDA， AI加持的EDA。

在上世纪70年代的中期，人们就开始使用计算机来辅助芯片的晶体管版图设计，PCB电路板的布局布线，设计规则检查等等这些相对简单的工作。到80年代卡菲尔米德和林康维发表了《超大规模集成电路系统导论》，提出来使用编程语言来进行芯片设计的的思想，这个也称为了EDA发展的重要标志。

在1986年和1987年，Verilog, VHDL这两种硬件描述语言诞生，几乎在同一时间，Aart de Geus博士发明了自动逻辑综合技术，来取代手动的设计工程，并且在1986年联合创立了Synopsys新思科技，这也标志着EDA工具开始走向了商业化。

从90年代到21世纪初期，在摩尔定律的指引下，晶体管的密度越来越高，设计流程也越来越复杂，EDA工具称为了芯片设计的必选项，也促进了EDA工具的进步，前面说的综合仿真，布局布线技术等都在这个时期得到了飞速的发展，这些EDA工具也缩短了研发周期，提升了设计效率，从而反过来去促进了芯片产业的技术革新，形成了正向反馈的螺旋式上升。

目前是AI加持的新时代，谷歌在Nature上发表的新文章，用深度学习技术去帮助芯片设计，人类工程师需要几个月去完成的工作，谷歌的AI仅需要6个小时就能达到相同或者近似的结果，新思科技也推出了一个名叫DSO.ai的技术，可以用到新思所有的DEA工具上，并且在某个芯片的设计上可以获得21%的功耗降低，18%的性能提升，并且把原本6个月的设计时间缩短成了1个月，那么我们猜想一下，加了AI buff的EDA工具，很可能就是芯片行业再次起飞的最大动力。

EDA发展规律

EDA如此重要，而全球的三大EDA领导者，占据了超过70%的全球市场份额，和接近80%的中国市场份额，他们是如何发展到今天的这种程度，中国的EDA产业又改如何迎头赶上呢？从全球的EDA发展进程来看，总结了四个可以借鉴的发展规律。

1）EDA需要大量的研发投入

EDA产业属于典型的需要长期投入的领域，里面有大量的数学物理相关的基础研究，国际学术界的四个顶级会议DAC， ASP-DAC， DATE，ICCAD里面讨论的绝大部分都是从芯片设计里抽象出来的数学和算法问题，这些基础研究都很难在短时间内转化成生产力。行业门槛很高，前期的投入产出比非常低，这就需要政府的大力支持。

EDA工具为了不断实现技术革新也在大量的投入，比如新思科技有1.6W名员工，研发人员占据了80%，研发费用占全年营收的35%。

2）EDA需要大量人才

和芯片行业类似，EDA人才从高校课题研究到行业的就业，往往需要10年的时间，因此需要一套持久而健全的人次培养体系，除了前面所说的四大EDA顶会外，还有大量的EDA竞赛，其实也都是在吸引和培养人才。

3）EDA需要建设完整生态

整个芯片设计过程需要晶圆厂，芯片公司，还有EDA厂商共同的去推进，很多物理参数的推进，需要晶圆厂和上下游的公司去深入的合作，获得一手的数据，所以说EDA串联起了整个产业链。正因为如此，像新思这样的EDA巨头，还是世界上最大的IP提供商之一，特别是接口，模拟，嵌入式存储和物理IP这些和工艺紧密绑定的领域。

4）EDA发展离不开并购扩张

特别是很多细分的领域，自研的难度和成本都太高了，因此在自身产品市场足够强大之后，可以去吸收和整合新公司和新技术，从而实现快速的发展。对于国产EDA来说，有一个很好的发展机会，国家十四五规划就明确提出，重点突破包括EDA在内的工业软件，2020年至今国内成立了近50家EDA公司，也有4家在申请或者是已经完成了IPO。

从上面发展的规律来看，肯定还会经历一波整合，虽然很那直接做到全产业链的完整方案，至少可以从细分领域进入，从中低端制程切入，然后逐步的去迭代，形成更大的发展。

审核编辑 ：李倩