聊聊芯片設(shè)計(jì)中EDA工具的作用、組成及主要廠商

1、什么是EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）？

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA，Electronic Design Automation）是指一系列用于設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化電子系統(tǒng)和集成電路（IC）的軟件工具。這些工具幫助工程師們完成芯片設(shè)計(jì)中的復(fù)雜任務(wù)，包括設(shè)計(jì)數(shù)字電路、模擬電路、驗(yàn)證電路功能、優(yōu)化性能等。通過使用EDA工具，工程師們可以在設(shè)計(jì)芯片時(shí)提高效率、減少錯(cuò)誤，并且更容易處理像處理器這樣高度復(fù)雜的芯片。

2、EDA工具的核心作用

EDA工具的核心作用是幫助工程師自動(dòng)化許多設(shè)計(jì)流程，使得設(shè)計(jì)芯片變得更加可控、效率更高。這是因?yàn)樾酒O(shè)計(jì)過程極其復(fù)雜，通常需要數(shù)百甚至上千個(gè)工程師協(xié)同工作，并且可能耗時(shí)數(shù)年。EDA工具不僅提高了設(shè)計(jì)的效率，還降低了設(shè)計(jì)出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。這類工具尤其在現(xiàn)代的芯片設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，因?yàn)槿缃竦男酒瑩碛袛?shù)十億個(gè)晶體管，每一個(gè)設(shè)計(jì)步驟都極為精細(xì)和復(fù)雜。

3、為什么需要EDA工具？

復(fù)雜性與規(guī)模：隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，芯片設(shè)計(jì)的規(guī)模和復(fù)雜度呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。以手機(jī)或電腦中的處理器為例，現(xiàn)代處理器的設(shè)計(jì)包含數(shù)十億個(gè)晶體管。如果僅靠人力手動(dòng)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和測(cè)試這些電路，不僅耗時(shí)巨大，且?guī)缀醪豢赡茏龅經(jīng)]有錯(cuò)誤。而EDA工具的自動(dòng)化能力可以極大地簡(jiǎn)化這一過程。

設(shè)計(jì)的速度：以往的芯片設(shè)計(jì)主要依賴于手工操作，進(jìn)展緩慢，可能需要幾年時(shí)間。而借助EDA工具，工程師可以更快速地進(jìn)行設(shè)計(jì)、模擬、驗(yàn)證和優(yōu)化，從而加快整個(gè)流程。

減少錯(cuò)誤：手動(dòng)設(shè)計(jì)復(fù)雜電路時(shí)，出錯(cuò)的幾率非常高。EDA工具可以通過自動(dòng)化的驗(yàn)證步驟和設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC，Design Rule Check）來確保設(shè)計(jì)符合一定的標(biāo)準(zhǔn)，并自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并修正潛在的錯(cuò)誤。

創(chuàng)新的推動(dòng)：EDA工具的不斷進(jìn)步，使得工程師能夠嘗試更復(fù)雜的設(shè)計(jì)架構(gòu)，推動(dòng)了芯片技術(shù)的快速發(fā)展。比如，近年來興起的人工智能芯片、量子計(jì)算芯片，都是借助先進(jìn)的EDA工具才得以實(shí)現(xiàn)的。

4、EDA工具的組成部分

EDA工具可以分為多個(gè)模塊，每個(gè)模塊負(fù)責(zé)芯片設(shè)計(jì)流程中的一個(gè)特定環(huán)節(jié)。典型的EDA工具鏈包括以下幾個(gè)主要部分：

前端設(shè)計(jì)工具：這些工具幫助工程師進(jìn)行芯片的邏輯設(shè)計(jì)，主要通過硬件描述語(yǔ)言（HDL），例如VHDL或Verilog，來描述芯片的行為。前端設(shè)計(jì)通常包括：

邏輯設(shè)計(jì)（Logical Design）：即通過HDL描述芯片的功能和行為。

功能驗(yàn)證（Functional Verification）：通過仿真工具來驗(yàn)證設(shè)計(jì)邏輯是否符合預(yù)期行為。

綜合工具（Synthesis Tools）：綜合工具會(huì)將HDL代碼轉(zhuǎn)化為具體的門級(jí)電路（Gate-level design）。換句話說，它們把抽象的邏輯設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為由基本邏輯門（如與門、或門、非門）組成的實(shí)際電路。

布局布線工具（Place and Route Tools）：在綜合完成后，工程師們需要將電路放置在芯片的物理結(jié)構(gòu)中，并為每個(gè)元件連接正確的導(dǎo)線。布局布線工具負(fù)責(zé)將邏輯設(shè)計(jì)映射到芯片的實(shí)際物理版圖中，并確保電路能夠正常工作。

后端設(shè)計(jì)工具：后端設(shè)計(jì)主要集中在物理實(shí)現(xiàn)階段，即將邏輯設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的硅晶片。這包括將電路的各個(gè)模塊布局到芯片的物理結(jié)構(gòu)上，定義金屬層間的連接以及確定如何制造芯片。

驗(yàn)證工具（Verification Tools）：這些工具用于在整個(gè)設(shè)計(jì)過程的各個(gè)階段進(jìn)行功能和性能驗(yàn)證。驗(yàn)證可以包括仿真（Simulation）、形式驗(yàn)證（Formal Verification）以及電源、性能、面積（PPA，Power Performance Area）分析等。

測(cè)試和優(yōu)化工具：設(shè)計(jì)完成后，EDA工具還可以幫助生成用于測(cè)試芯片功能的測(cè)試向量。這些測(cè)試向量會(huì)在實(shí)際的硬件測(cè)試中使用，以確保制造出來的芯片沒有設(shè)計(jì)或制造上的缺陷。

5、主要的EDA廠商

當(dāng)前EDA工具市場(chǎng)上主要由三家美國(guó)公司主導(dǎo)：Cadence、Mentor Graphics（現(xiàn)在屬于西門子）和Synopsys。這三家公司開發(fā)的EDA工具覆蓋了從芯片的邏輯設(shè)計(jì)到物理實(shí)現(xiàn)的全過程。

Cadence：提供全面的EDA工具鏈，尤其擅長(zhǎng)模擬與數(shù)字電路的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

Mentor Graphics（Siemens）：原先獨(dú)立運(yùn)營(yíng)的公司，現(xiàn)已成為西門子的一部分。Mentor的工具在PCB設(shè)計(jì)和IC設(shè)計(jì)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

Synopsys：是數(shù)字設(shè)計(jì)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，尤其在邏輯綜合、驗(yàn)證工具和物理設(shè)計(jì)上具有強(qiáng)大的市場(chǎng)地位。

6、EDA工具在芯片設(shè)計(jì)流程中的使用

芯片設(shè)計(jì)的流程通?？梢苑譃橐韵聨讉€(gè)主要階段，每個(gè)階段都需要依賴EDA工具的支持：

需求分析：工程師首先會(huì)確定芯片需要實(shí)現(xiàn)的功能和性能指標(biāo)。這一階段通常涉及到高層次的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。

功能設(shè)計(jì)：工程師使用HDL（硬件描述語(yǔ)言）編寫芯片的邏輯功能描述。EDA工具在這一階段幫助實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)計(jì)、仿真、形式驗(yàn)證和高層次綜合。

邏輯綜合：通過EDA工具，邏輯設(shè)計(jì)會(huì)被綜合成實(shí)際的門級(jí)電路。EDA工具還可以幫助優(yōu)化電路的面積、功耗和性能。

物理設(shè)計(jì)：物理設(shè)計(jì)是將電路布局在芯片上，并確保信號(hào)的延遲、功耗、噪聲等都在可接受的范圍內(nèi)。這一階段的EDA工具幫助進(jìn)行布局布線（Place & Route）、信號(hào)完整性分析等。

驗(yàn)證和測(cè)試：在設(shè)計(jì)完成后，EDA工具會(huì)幫助工程師進(jìn)行多次驗(yàn)證和測(cè)試，確保設(shè)計(jì)沒有任何功能或電氣上的問題。

7、EDA工具的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展

盡管EDA工具已經(jīng)極大地簡(jiǎn)化了芯片設(shè)計(jì)流程，但仍有一些挑戰(zhàn)需要解決。隨著工藝制程的不斷縮小，芯片的復(fù)雜度和對(duì)性能的要求越來越高，EDA工具也面臨更大的壓力。

復(fù)雜性增加：隨著5納米、3納米等先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)，EDA工具需要能夠處理更加復(fù)雜的物理和電氣效應(yīng)。這包括量子效應(yīng)、寄生效應(yīng)等，這些都增加了芯片設(shè)計(jì)的難度。

跨領(lǐng)域協(xié)作：現(xiàn)代的芯片設(shè)計(jì)不僅僅是數(shù)字電路，還涉及到模擬電路、射頻電路、電源管理等領(lǐng)域。EDA工具需要支持跨領(lǐng)域協(xié)作，使得不同領(lǐng)域的工程師能夠在同一個(gè)平臺(tái)上協(xié)同工作。

人工智能的引入：人工智能（AI）技術(shù)正逐漸被引入到EDA工具中，幫助自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤以及加速驗(yàn)證流程。未來，AI可能會(huì)在EDA工具中發(fā)揮越來越重要的作用。

我們小結(jié)一下，EDA工具是現(xiàn)代芯片設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，沒有這些工具，復(fù)雜的芯片設(shè)計(jì)幾乎無法完成。從需求分析、邏輯設(shè)計(jì)、物理實(shí)現(xiàn)到最后的驗(yàn)證和測(cè)試，每個(gè)步驟都需要EDA工具的支持。Cadence、Mentor Graphics和Synopsys是行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，它們的工具幫助全球的芯片設(shè)計(jì)公司在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中保持創(chuàng)新。未來，隨著芯片技術(shù)的不斷進(jìn)步，EDA工具也將繼續(xù)發(fā)展，助力新一代的半導(dǎo)體創(chuàng)新。

EDA工具的核心價(jià)值在于其自動(dòng)化能力，簡(jiǎn)化了復(fù)雜的設(shè)計(jì)流程，縮短了設(shè)計(jì)周期，并提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和效率。在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和5G等新技術(shù)的推動(dòng)下，芯片設(shè)計(jì)的需求將會(huì)更加多樣化和復(fù)雜化，而EDA工具將在其中繼續(xù)扮演關(guān)鍵角色。

購(gòu)買芯片課、加入VIP交流群，跟業(yè)內(nèi)人士一起學(xué)習(xí)：通俗理解半導(dǎo)體行業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)（入門或轉(zhuǎn)行必備）

作者：胡工，北京大學(xué)微電子本碩，北京大學(xué)半導(dǎo)體校友會(huì)成員，在半導(dǎo)體行業(yè)工作多年，常駐深圳。歡迎交流，備注姓名+公司+崗位。