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EDA工具对芯片产业的重要性知识

电路和微电子考研 来源:电路和微电子考研 作者:电路和微电子考研 2022-11-03 15:27 次阅读

霜降

科普EDA工具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威廉希尔官方网站 ,在每个环节采用不同的工具,这种定制化的方法比较高效,但是对威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 ,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,布局布线威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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,用深度学习威廉希尔官方网站 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的威廉希尔官方网站 ,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工具为了不断实现威廉希尔官方网站 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interwetten与威廉的赔率体系 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威廉希尔官方网站 ,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

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