芯片迈向系统化时代：EDA 软件的创新之路

在数字化时代的浪潮中，5G、人工智能和智能汽车等尖端技术正在以前所未有的速度改变我们的生活和工作环境。显然，在这股科技浪潮中，芯片已不再是单一的硬件组件，而是一个融合了多项技术与创新的复杂系统。在此背景下，电子设计自动化（EDA）也在经历重要的转型。

近日，Cadence 全球副总裁兼多物理场仿真事业部总经理顾鑫先生接受了AspenCore 亚太区总经理、总分析师张毓波先生的独家专访，深入讨论了 EDA 行业面临的新趋势和挑战。在交谈中，顾鑫特别指出了多物理场分析在现代芯片设计中的重要地位，并认为计算流体力学有巨大的发展潜力。他还详细探讨了并行计算和人工智能（AI）如何在 EDA 的进步中扮演关键角色，推动行业不断前进。

顾鑫

Cadence 全球副总裁兼多物理场仿真事业部总经理

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芯片设计学发生了根本性的变革

随着半导体技术发展进入 3 纳米工艺节点，我们正见证摩尔定律逼近其物理界限。然而，全球的芯片工程师们并未停下脚步，他们正从架构、材料、以及封装等多个角度合力推动工艺的进一步微缩，以延续摩尔定律的脚步。Cadence 全球副总裁兼多物理场仿真事业部总经理顾鑫表示：“根据我们从代工合作伙伴那里获得的信息，芯片技术发展到 1 纳米，甚至是低至 9 至 10 埃的技术，这些在当前看来都是可行的。”

然而，每一个新节点的突破，都意味着更多技术挑战的出现。而且随着越来越多的半导体设计公司转向 3D IC 这样的新技术，并倾向于使用更精密的封装技术和更复杂的 PCB 来提升芯片的整体性能，互联、热管理、制造流程的复杂性等一系列挑战随之而来。这一切都在促使业界从根本上重新审视芯片设计的方法论。

过去，设计师们可能更关注于电性能的优化，但在当前环境下，他们必须同时兼顾电、热、磁、光和机械等多个物理域的相互作用。伴随着这种转变，芯片设计的进步越来越依赖于 EDA 软件的发展。这些高级软件工具能够更有效地模拟和预测多物理效应的相互作用，帮助设计师在实际制造之前识别和解决潜在的设计问题。

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面向系统级优化：EDA 软件的转型与升级

正是看到了 IC 设计模式转变的发展趋势，Cadence 在 2019 年推出了其“智能系统设计”战略，凭借在 EDA 领域多年的数值仿真技术经验，提供了一系列针对多物理场问题的前沿 EDA 工具。这一战略性举措不仅有效地解决了芯片系统设计过程中的复杂挑战，还为行业中的棘手问题带来了高效而精准的解决方案。

Clarity 3D Solver 是 Cadence 开发的第一款系统级的仿真工具，它是一款基于 FEM 的 3D 全波求解器。据顾鑫的介绍，Clarity 有很多革命性的技术突破，其中最重要的有两点：

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Clarity 3D Solver 使用了大规模并行计算技术，可以利用多个 CPU 核心进行电磁仿真，大大减少了计算时间，并且得到了高达 10 倍的电磁仿真性能提升，甚至在某些情况下达到了近 40 倍的性能增长，帮助客户实现了弹性计算。

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为了提高设计效率和准确性，Clarity 3D Solver 可以与 Cadence 的其他 EDA 解决方案如 Allegro、Virtuoso 和 Innovus 等无缝集成，使工程师可以在一个统一的设计环境中工作。

从应用上来看，Clarity 3D Solver 尤其适用于需要高频3D电磁（EM）分析的应用，如 5G 通信、汽车雷达、高性能计算和其他要求严格的高速电子系统设计。

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热管理，成为多物理场仿真最重要的一环

随着现代芯片通过使用先进封装技术和硅基板（Interposer）实现更多晶体管的堆叠，热量急剧增加，散热成为厂商头疼的问题。一些厂商反映，经过他们的实际测量，在单个封装或芯片中，温度梯度在芯片上不同区域的温度的差别可以超过 30 度，这种状况对于确保芯片的可靠性和性能表现提出了巨大的挑战。热管理已成为多物理场仿真中极其重要的一环。

针对热管理的挑战，Cadence 于 2020 年推出了Celsius 3D Thermal Solver，这是业内首款专为 3D IC 设计定制的热仿真工具。Celsius 采用了一种创新的方法，它结合了有限元方法（FEM）和计算流体力学（CFD）技术。使用 CFD 解决整个系统周围的空气流问题，然后利用这些数据作为边界条件，通过 FEM 解决整个封装和芯片的热梯度问题，从而在精确度和性能之间找到了很好的平衡。

在芯片设计当中，电力与热能的关系密不可分，而且无论是电磁场还是电源管理，或是信号完整性（SI/PI），最后都会通过热耦合在一起。因此，进行精确的电源网络分析是至关重要的。Cadence 的 Voltus 和 Voltus-Fi 是专门分析芯片内部电源网络的软件。与 Clarity 和 Celsius 侧重于系统级有所不同，Voltus 和 Voltus-Fi 主要在 EDA 领域中发挥作用，专注于芯片级的电源问题。通过提供精确的电源网络分析，这些工具能够为整个系统的稳定性和效率做出重要贡献。

在过去四年中，Voltus 的业务得到了快速增长，体现了它在当今多物理分析过程中的重要性。而 Voltus 能够取得如此大成功，顾鑫分析到主要有两点原因：首先，Voltus 工具也采用了大量的大规模并行计算技术；再就是Cadence 所具备完整设计流程的传统优势，起到了很大的带动作用，例如，在数字 SoC 领域，Voltus 可以与 Cadence 的旗舰设计平台 Innovus 紧密结合，帮助客户获得最佳的 PPA。

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通过并购积蓄力量，迈入 CFD 新征途

除了多物理场分析，计算流体力学（CFD）同样是一个充满潜力的研究领域。根据行业研究机构的数据，CFD 市场的估值大约在 16 亿到 20 亿美元之间。工程师和科学家正借助 CFD 仿真技术来应对一系列复杂挑战，这些挑战涵盖了从汽车和飞机的气动性能仿真，到环境工程中的风噪声仿真等多个方面。一个鲜明的案例是，在疫情期间，医疗健康专家就利用 CFD 技术，来模拟并分析病毒在各种环境中的传播途径，从而为防疫措施提供科学依据。

Cadence 也瞄准了 CFD 领域，在 2021 年至 2022 年间Cadence相继收购了包括NUMECA International、Cascade Technologies、Future Facilities、Coupled Numerics 以及 Pointwise在内的五家 CFD 专业公司。通过收购，Cadence 踏入了 CFD 领域，并将这 5 家公司各自独特的技术与 Cadence 的技术相融合，并推出了 Fidelity 这一新产品。目前 Fidelity 已经与许多客户进行了成功的验证，例如 2022 年 Cadence 与 McLaren F1 车队达成了一项长期技术合作协议。

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发展 EDA，重在生态的构建

如今，越来越多的芯片厂商，包括微软、英特尔、高通等，正积极向系统层面扩展。他们面临的挑战不仅仅是提升芯片的性能，更需要在宏观层面综合评估整个电子系统的设计功能。这种趋势使得系统厂商对 EDA 厂商的支持和密切合作需求日益迫切。

特别是当芯片技术发展到 3 纳米，甚至是 2 纳米、1 纳米的微观领域时，EDA 厂商的角色变得更加重要。他们是连接代工厂和设计厂商的重要桥梁，需要在工艺开发的早期阶段协助双方验证不同工艺节点的可行性，从而确保代工厂的尖端技术能被设计厂商顺利采用。

此外，据顾鑫指出：“我们与 ARM 等架构供应商也有紧密的合作，保证支持每一个新的计算架构。”众所周知，Arm 架构因其高效性和灵活性已经被广泛应用于各类设备中。全球 99% 的手机处理器，以及大量的微控制器（MCU）和物联网设备都在采用 Arm 的 IP。这种普及性要求 EDA 工具厂商必须紧跟 Arm 架构的发展节奏，不断更新和优化自己的工具和服务，以确保它们能够完全支持每一个新的计算架构和平台。

对 EDA 厂商而言，构建一个健康、协同、并充满活力的生态系统是至关重要的。这不仅包括与芯片设计厂商和代工厂的紧密合作，也意味着需要与广大系统层面的厂商，如微软、英特尔、高通等建立深度合作关系。只有这样，才能确保在不断进步的技术浪潮中把握住每一个重要的节点，推动整个电子产业的持续健康发展。

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EDA 将走向何方？

芯片行业在向前加速迈进，EDA 的未来发展将如何？其中，有两个核心方向引人注目：

第一个是机器学习，EDA 中引入 AI 是一个热门发展方向，即利用 AI 技术来帮助客户解决在仿真和设计中遇到的挑战。Cadence 的一些新产品，例如在 2022 年 4 月推出的基于 AI 和机器学习技术的自主生成式 AI 优化工具 Optimality，就是一个例子。顾鑫介绍道，Optimality 可以与 Clarity 和 Celsius 集成，用户可以使用机器学习方法来优化整个系统的性能，并自动确定最佳参数。

再有就是多物理场仿真。由于设计复杂性不断增加，对计算的需求也在迅速增长，整个设计流程可能会变得更长。传统的仅依赖 CPU 的解决方案已不再是唯一的选择。近年来，除了 CPU 性能的迅速提升，GPU 和专用 ASIC 等硬件平台也逐渐崛起，未来异构计算将主导市场。EDA 软件将更多地迁移到各种硬件平台上，这种迁移可以大大加速工程师们的仿真过程，因为它能够利用这些专用硬件平台在并行处理和高性能计算方面的优势。

可以预见，在未来两到三年内，机器学习以及 GPU 芯片的加速功能将对 EDA 领域的进步发挥至关重要的影响。

总结

随着半导体行业迈入系统性设计全新的发展纪元，芯片的进化已不再仅仅局限于追求尺寸的缩减。现在，它已经成为一个涉及多学科、多层次、并整合多维度的复杂系统工程。在这一充满多元化且技术密集的进程中，具备多物理分析能力的 EDA 软件将扮演不可或缺的助推角色。只有当整个产业链紧密协作、共同前行时，才能携手将芯片技术推向新的巅峰。