芯片财产链系列5-EDA软件全方位梳理
芯片产业链系列5-EDA软件全方位梳理
在前四篇芯片产业链系列文章中，我们对芯片的横向全流程产业链进行了梳理，本篇开始我们将梳理芯片的支撑产业链。让我们从EDA开始吧。
EDA全称为电子设计自动化（Electronic Design Automation） ，是指用于辅助完成超大规模集成电路芯片设计、制造、封装、测试整个流程的计算机软件工具集群，是广义CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）的一种，是在20世纪60年代中期从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。EDA是工业软件行业中的一个细分行业，工业软件指专用于或主用于工业领域，以提高工业企业研发、制造、管理水平和工业装备性能的软件。工业软件从应用环节可分为研发设计类、生产调度和过程控制类、业务管理类三大领域，其中PLM、MES及ERP分别为这三个领域中工业软件系统的典型代表，EDA与PLM一样，归属工业软件的研发设计环节。
集成电路的设计生产制造工程浩大，而EDA技术则融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，以计算机为工作平台进行电子产品的自动设计。EDA设计工具涵盖了产业链前端电路设计、验证、后端物理设计、封装设计与可测性设计等环节，驱动着芯片设计、制造和终端应用的发展。在没有诞生EDA工具之前，开发者以人工绘图的方式进行电路设计，而利用EDA软件，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统， 完成集成电路产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程，优化芯片制造工艺，驱动芯片产业链下游环节发展从而极大地提高工作效率，减轻劳动强度。在半导体产业链中，是集成电路产业链最上游、最高端的产业，是芯片设计的“基石”，是推动芯片设计创新的重要辅助工具之一。
在芯片设计中，EDA可以降低风险、减少试错成本。我们在《芯片产业链系列2》的文章中简单介绍过，绝大部分芯片产品一经制造就无法更改，但其设计又极复杂度，制造和研发费用也极高，EDA在此过程中至少有三个方面的作用
（1）它可以将复杂的物理问题精确表述为量化模型，在虚拟软件中模拟电路过程，再现芯片开发过程中的各种效应，从而发现潜在设计缺陷和风险。
（2）它在确保逻辑功能正确的前提下可以模拟、分析得出特定工艺在各种条件下性能、功耗、成本等的最优解，解决多目标约束问题，减少试错成本。
（3）验证模型一致性， 确保多个设计环节中芯片保持逻辑功能一致。
在实际的芯片产业发展中，EDA的进步和应用一直以来是推动芯片设计成本保持在合理范围的重要方式，据加州大学圣迭戈分校Andre Kahng教授在2013年的推测，2011年设计一款消费级应用处理器芯片的成本约4000万美元，若不考虑1993年至2009年EDA技术的进步，相关设计成本可能高达77亿美元，EDA技术进步让设计效率提升近200倍。
EDA除了在芯片设计中发挥巨大作用之外，在PCB板级设计和平板显示设计中也有非常重要的应用。网上的资料中对EDA的分类有不同的说法，一种常见的分类方法是把EDA分为IC设计软件、电路设计与仿真工具、PCB设计软件、PLD设计工具及其它EDA软件等，另一种常见的分类方法是按产品将EDA分为数字设计类、模拟设计类、晶圆制造类、封装类、服务等五大类。
我们觉得这些分类方法对于我们理解EDA细分品类来说，不够全面和明晰。如上面的分类方法IC设计与PCB设计也可归属于产品分类法，而电路设计与仿真实际上是按功能进行分类，如果仅覆盖IC设计与PCB设计，又没有覆盖到制造和工艺控制过程。为了方便我们的理解，我们根据资料自己梳理了一套分类方法，为如下思维导图。需要注意的是（1）EDA在每一个细分品类中的全流程环节几乎都有相对应的软件，我们将在下面对各细分品类的介绍中进行详细梳理。（2）有的分类方法中会把PLD设计从数字IC设计中单列出来，这主要是因为虽然PLD属于数字IC中的逻辑芯片，但其主要用于仿真电路等集成电路前期设计工作，本文为简单起见，我们仍将其归为数字设计类。
注PLD（Programmable Logic Device，可编程逻辑器件）是一种由用户根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。目前主要有两大类型CPLD（Complex PLD）和FPGA（Field Programmable Gate Array），见半导体系列5-半导体行业研究集成电路之数字芯片中的逻辑芯片。它们的基本设计方法是借助于EDA软件，用原理图、状态机、布尔表达式、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，用编程器下载，由目标器件实现。生产PLD的厂家很多，但最有代表性的PLD厂家为Altera、Xilinx和Lattice公司。
1、IC类EDA
（1）IC设计类我们在芯片产业链系列2-一文了解芯片设计全流程的文章中介绍过，芯片设计流程主要可分为前端设计与后端设计，其中前端设计（也称为逻辑设计）主要涉及芯片的功能设计，后端设计（也称为物理设计）主要涉及工艺有关的设计，使其成为具备制造意义的芯片。细分来看， 芯片设计包含流程包含 RTL 编写、功能验证、逻辑综合、形式验证、 DFT、布局布线、 Sign Off、版图验证等多个流程。我们也提到过数字芯片设计和模拟芯片设计的具体流程有所不同，其所需的EDA软件也有所不同，我们将对其一一介绍。
综合来看， EDA 软件在IC设计中主要包含以下功能，其中功能验证与Sign-Off主要指的就是电路仿真和分析功能验证保证设计的功能正确，并确保芯片能够实现预定和期望的行为和动作；逻辑综合 将用行为级语言描述的各功能模块向低级语言翻译，用底层逻辑门组合实现电路模块的功能；布局布线 用有实际的物理参数的逻辑门替代逻辑综合后的逻辑门，并且将其按照既定的功能互联在一起，使其形成具有制造意义的版图；Sign-Off 保证芯片设计的所有图线、时序以及功耗都符合制造、产品和系统的要求。
注这里面Sign Off的字面意思是签好字，可以指经过设计经理、版图经理、工艺负责人签字同意，Tape Out原意是指“下线”，是指将最终GDSII文件即掩膜信息提交给掩膜工厂生产。
i、数字电路设计主要分为前端逻辑设计和后端物理设计，团队角色也通常分为前端设计师和后端设计师。虽然没有统一明确的界限，但前端设计与后端设计通常以生成的门级网表为划分。前端设计师以芯片架构为起点，以网表为终点，主要满足电路功能和逻辑的设计和验证，有前端验证工程师、架构工程师、DFT工程师等配合完成工作；后端设计师以布局布线为起点，以生成可以送交晶圆厂进行流片的GDSII文件为终点。
数字电路前端设计用逻辑电路实现预期规格，侧重逻辑功能，主要包括设计和验证两部分。具体流程包括系统总体规划、模块设计、顶层模块集成和顶层功能模块验证、逻辑综合、形式验证、静态时序分析、可测性时序插入等，其中所需的EDA代表软件如下
数字电路后端设计重视布局和模拟，主要包括工艺上实现和流程。具体流程包括版图物理规划、功耗分析、单元布局与优化、时钟树综合、布线、信号完整性分析、寄生参数提取、物理验证等，其中所需的EDA代表软件如下
ii、模拟电路设计相较于数字电路，模拟电路设计对工程师的长期实践经验要求较高，其全流程通常由一组工程师承担，导致前端和后端界限模糊，但也可将其设计流程分为两大部分，即前端的功能设计和后端的物理实现。
模拟电路前端功能设计主要指设计要求与性能参数的逻辑化过程。要确定系统输入输出关系，定义系统功能，规范时序、面积、功耗、信噪比等参数范围，完成目标量化的第一步。然后通过模拟仿真评估电路应用的性能，确定电路工作的区间和限制，在重复验证与结果改进中优化电路逻辑功能结构。
当电路性能的仿真结果满足设计要求后，开始进入后端电路版图设计阶段，即定制满足工艺要求的物理版图。物理版图作为电路相关参数与实物模型的桥梁，实现了设计电路向图形描述格式的转换。经历物理层验证、计算机仿真验证与改进等环节后，最终实现设计版图的实物制造。模拟电路各流程代表的EDA软件如下
（2）IC制造类EDA不仅应用于芯片设计环节，也广泛应用于晶圆制造，是连接集成电路设计和制造两个环节的桥梁和纽带。在工艺平台开发阶段，晶圆厂完成半导体器件和制造工艺的设计后，需要借助EDA工具建立器件模型、生成PDK以及IP和标准单元库，晶圆制造过程中光刻计算、良率提升也需要借助EDA大数据软件工具。晶圆制造EDA工具包括器件模型提取工具、工艺和器件仿真（TCAD）、PDK开发与验证、计算光刻、掩膜版校准、掩膜版合成和良率分析等工具。
注PDK（Process Design Kit，工艺设计套件、制程设计套件）是一组描述半导体工艺细节的文件，供芯片设计EDA工具使用。客户会在投产前使用晶圆厂的PDK，确保晶圆厂能够基于客户的设计生产芯片，保证芯片的预期功能和性能。 PDK包可看作是沟通IC设计公司、 代工厂与EDA厂商的桥梁。
（3）IC封装类主要提供封装设计平台，涵盖封装的设计、验证、实施等环节。需要注意的是，随着芯片制程工艺逼近物理尺寸极限，2.5D/3D封装，芯粒（Chiplet）等先进封装成为了提高芯片集成度的新方向，整个IC封装的需求越来越类似于IC设计的状况。这也使得芯片设计不再是单芯片的问题，而逐渐演变成多芯片系统工程。新的问题随之出现，先进封装中的大规模数据读取显示，高密度硅互连拼装、高性能良率低功耗需求对EDA算法引擎提出了更高的要求。针对封装的新EDA设计、仿真平台也不断出现，如新思科技的3D IC Compiler平台、Mentor的HDAP解决方案等。
2、PCB类EDA:包括PCB设计和制造两大类。PCB设计软件种类很多，如Protel、 OrCAD、Vielogic、PoerPCB、Cadence PSD、Mentor的Expedition PCB、Zuken CadStart、 WinboardWindraftIvex-SPICE、PCB Studio、TANGO等等。PCB制造类软件主要包括PCB制作和工艺流程控制领域的工具。
3、平板显示类EDA主要包括平板显示设计EDA，面向面板厂商。FPD设计流程包括电路原理图设计、布图设计、电路仿真、电路布图寄生参数提取、电路设计验证等，类似于模拟集成电路的设计流程，但也有其独特的设计流程和设计方法。与集成电路设计类似，EDA也是平板显示电路设计的基石。
梳理了EDA的分类之后，我们简单介绍一下EDA的发展历程。EDA的诞生和发展是伴随着集成电路规模逐步扩大和电子系统日趋复杂，整体看，其发展大致经历了四个阶段
1、CAD阶段20世纪70年代，由于芯片复杂度低，设计人员可手工完成电路图的输入、布局和布线。70年代中期，可编程逻辑设计技术的出现使得芯片设计自动化成为可能。随着集成度的提升，设计人员开始尝试使用CAD工具进行设计工程自动化来替代手工绘图，实现交互图形编辑、IC版图设计、PCB布局布线、设计规则检查、门级电路模拟和验证等功能。
2、CAE阶段20世纪80年代，EDA技术进入发展和完善阶段，推出的EDA工具以逻辑模拟、定时分析、故障分析、自动布局和布线为核心，重点解决功能检测等问题，利用这些工具，设计师能在产品制作之前预知产品功能和性能。80年代后期，EDA工具已可以进行设计描述、综合与优化和设计结果验证。这一时期EDA商业化逐渐成熟，当前的EDA国际三巨头Siemens EDA的前身Mentor Graphics、Synopsys和Cadence分别于1981年、1986年和1988年成立。
3、EDA阶段20世纪90年代，随着芯片设计流程的标准化发展以及集成电路设计方法论的完善，以高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特点的EDA工具就此出现。此后EDA技术获得了极大的突破发展，真正实现了设计的自动化。
4、现代EDA时代2000年前后，EDA在仿真验证和设计两个层面支持标准硬件语言的EDA软件工具功能更加强大，更大规模的可编程逻辑器件不断推出，系统级、行为级硬件描述语言趋于更加高效和简单。目前EDA工具已能对集成电路的设计、制造、封装等环节实现全覆盖，应用于包括模拟电路、数字电路、PCB、面板等多个领域的设计工作
国内EDA产业的发展历尽艰辛，至今仍于海外有较大差距。整体来看，国内EDA行业的发展大致可分为五个阶段
1、起步阶段。1978年秋，“数字系统设计自动化”学术会议于桂林阳朔举行，有67个单位，140多名代表参加了会议，这次会议被誉为“中国EDA事业的开端”，标志着中国EDA事业在学术领域的萌芽。以桂林会议为起点，“六五”期间，我国陆续开发了国产ICCAD一级系统和二级系统。
2、国产EDA问世。受制于“巴统”禁令的限制，国外EDA无法进入中国，国内的ICCAD工具研发停留在众多一级系统和二级系统。为了摆脱这种受制于人的状态，1986年前后，国家动员了全国17个单位，200多名专家聚集北京集成电路设计中心，开发属于自己的 EDA。1993年，我国第一个自主研发的EDA“熊猫系统”问世。
3、遭遇挫折阶段。冷战结束后，1994年“巴统”禁令取消，海外EDA三巨头大举进入中国市场，以技术成熟、价格便宜、免费赠送、多方合作等策略，快
速获取市场份额。国产 EDA 工具研发和应用陷入低谷。
4、重振阶段。2008年4月，国家科技重大专项“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”实施方案经国务院常务会议审议并原则通过。作为国家十六个科技重大专项之一，EDA行业重新获得了鼓励和扶持。2008年以来，国内EDA领域涌现了华大九天、概伦电子、广立微电子、国微集团和芯和半导体等公司，开始进入市场的主流视野。
5、自主可控需求增长阶段。2018年以来，受中美贸易摩擦影响，国内高新技术企业如华为、中兴等陆续受到美国制裁，半导体供应链安全受到高度重视，自主可控需求增长。国家出台了一系列针对EDA产业的扶持政策，以加速行业成长，国内EDA产业迎来重大发展机遇。
作为芯片设计产业链的支撑环节之一，EDA连接了集成电路设计、制造和封测环节，其自身的产业链上游包括硬件设备、操作系统、开发工具及其他辅助性软件等，中游为各类EDA工具的开发，下游包括集成电路设计、制造和封测相关厂商。
从市场规模来看，根据SEMI数据，2021年全球EDA市场规模为132亿美元，支撑着年产值几百亿美元的IC设备行业、年产值几千亿美元的IC制造行业、年产值几万亿美元的电子产业、以及年产值几十万亿美元的数字经济。EDA是这条倒金字塔型产业链的基石，是集成电路、电子信息、乃至全球数字经济的赋能者。
至此，我们已经对芯片产业链中第一个支撑-EDA行业有了一个基本的了解，我们下周继续进行新的学习。
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