芯片設計及使用的EDA工具介紹

對于系統廠商而言，如果說芯片是子彈，是糧食的話，那么芯片EDA工具則是制造子彈，加工糧食的工具，其重要性可見一斑。

現在要命的問題是，國產EDA工具在整個芯片設計的過程中貢獻度幾乎為零！

芯片設計及使用的EDA工具介紹

芯片設計分為前端設計和后端設計，前端設計（也稱邏輯設計）和后端設計（也稱物理設計）并沒有統一嚴格的界限，涉及到與工藝有關的設計就是后端設計。

1. 規(guī)格制定

芯片規(guī)格，也就像功能列表一樣，是客戶向芯片設計公司（稱為Fabless，無晶圓設計公司）提出的設計要求，包括芯片需要達到的具體功能和性能方面的要求。

2. 詳細設計

Fabless根據客戶提出的規(guī)格要求，拿出設計解決方案和具體實現架構，劃分模塊功能。

3. HDL編碼

使用硬件描述語言（VHDL，Verilog HDL，業(yè)界公司一般都是使用后者）將模塊功能以代碼來描述實現，也就是將實際的硬件電路功能通過HDL語言描述出來，形成RTL（寄存器傳輸級）代碼。

4. 仿真驗證

仿真驗證就是檢驗編碼設計的正確性，檢驗的標準就是第一步制定的規(guī)格?？丛O計是否精確地滿足了規(guī)格中的所有要求。規(guī)格是設計正確與否的黃金標準，一切違反，不符合規(guī)格要求的，就需要重新修改設計和編碼。設計和仿真驗證是反復迭代的過程，直到驗證結果顯示完全符合規(guī)格標準。

仿真驗證工具Synopsys的VCS，還有Cadence的NC-Verilog。

5. 邏輯綜合Design Compiler

仿真驗證通過，進行邏輯綜合。邏輯綜合的結果就是把設計實現的HDL代碼翻譯成門級網表netlist。綜合需要設定約束條件，就是你希望綜合出來的電路在面積，時序等目標參數上達到的標準。邏輯綜合需要基于特定的綜合庫，不同的庫中，門電路基本標準單元（standard cell）的面積，時序參數是不一樣的。

所以，選用的綜合庫不一樣，綜合出來的電路在時序，面積上是有差異的。一般來說，綜合完成后需要再次做仿真驗證（這個也稱為后仿真，之前的稱為前仿真）。

邏輯綜合工具Synopsys的Design Compiler。

6. STA

Static Timing Analysis（STA），靜態(tài)時序分析，這也屬于驗證范疇，它主要是在時序上對電路進行驗證，檢查電路是否存在建立時間（setup time）和保持時間（hold time）的違例（violation）。這個是數字電路基礎知識，一個寄存器出現這兩個時序違例時，是沒有辦法正確采樣數據和輸出數據的，所以以寄存器為基礎的數字芯片功能肯定會出現問題。

STA工具有Synopsys的Prime Time。

7. 形式驗證

這也是驗證范疇，它是從功能上（STA是時序上）對綜合后的網表進行驗證。常用的就是等價性檢查方法，以功能驗證后的HDL設計為參考，對比綜合后的網表功能，他們是否在功能上存在等價性。這樣做是為了保證在邏輯綜合過程中沒有改變原先HDL描述的電路功能。

形式驗證工具有Synopsys的Formality。

前端設計的流程暫時寫到這里。從設計程度上來講，前端設計的結果就是得到了芯片的門級網表電路。

后端設計流程 ：

1. DFT

Design For Test，可測性設計。芯片內部往往都自帶測試電路，DFT的目的就是在設計的時候就考慮將來的測試。DFT的常見方法就是，在設計中插入掃描鏈，將非掃描單元（如寄存器）變?yōu)閽呙鑶卧?。關于DFT，有些書上有詳細介紹，對照圖片就好理解一點。

DFT工具Synopsys的DFT Compiler

2. 布局規(guī)劃(FloorPlan)

布局規(guī)劃就是放置芯片的宏單元模塊，在總體上確定各種功能電路的擺放位置，如IP模塊，RAM，I/O引腳等等。布局規(guī)劃能直接影響芯片最終的面積。

工具為Synopsys的Astro

3. CTS

Clock Tree Synthesis，時鐘樹綜合，簡單點說就是時鐘的布線。由于時鐘信號在數字芯片的全局指揮作用，它的分布應該是對稱式的連到各個寄存器單元，從而使時鐘從同一個時鐘源到達各個寄存器時，時鐘延遲差異最小。這也是為什么時鐘信號需要單獨布線的原因。

CTS工具，Synopsys的Physical Compiler

4. 布線(Place & Route)

這里的布線就是普通信號布線了，包括各種標準單元（基本邏輯門電路）之間的走線。比如我們平常聽到的0.13um工藝，或者說90nm工藝，實際上就是這里金屬布線可以達到的最小寬度，從微觀上看就是MOS管的溝道長度。

工具Synopsys的Astro

5. 寄生參數提取

由于導線本身存在的電阻，相鄰導線之間的互感,耦合電容在芯片內部會產生信號噪聲，串擾和反射。這些效應會產生信號完整性問題，導致信號電壓波動和變化，如果嚴重就會導致信號失真錯誤。提取寄生參數進行再次的分析驗證，分析信號完整性問題是非常重要的。

工具Synopsys的Star-RCXT

6. 版圖物理驗證

對完成布線的物理版圖進行功能和時序上的驗證，驗證項目很多，如LVS（Layout Vs Schematic）驗證，簡單說，就是版圖與邏輯綜合后的門級電路圖的對比驗證；DRC（Design Rule Checking）：設計規(guī)則檢查，檢查連線間距，連線寬度等是否滿足工藝要求， ERC（Electrical Rule Checking）：電氣規(guī)則檢查，檢查短路和開路等電氣 規(guī)則違例；等等。

工具為Synopsys的Hercules

實際的后端流程還包括電路功耗分析，以及隨著制造工藝不斷進步產生的DFM（可制造性設計）問題，在此不說了。

物理版圖驗證完成也就是整個芯片設計階段完成，下面的就是芯片制造了。物理版圖以GDS II的文件格式交給芯片代工廠（稱為Foundry）在晶圓硅片上做出實際的電路，再進行封裝和測試，就得到了我們實際看見的芯片。

上圖中的工具，沒有一家是中國的。

IC設計EDA工具現狀----高度壟斷

EDA行業(yè)存在高度壟斷，前3家EDA公司（Synopsys、Cadence及Mentor）壟斷了國內芯片設計95%以上的市場，他們給客戶提供完整的前后端技術解決方案。

國內IC產業(yè)發(fā)展非常迅速，IC產業(yè)出現了很多新的方向，比如IOT，AI等，而且國內芯片公司起點高，也采用了很多最新的工藝，比如16nm,12nm和7nm。新工藝和新芯片應用方向給現有EDA行業(yè)和芯片設計流程帶來了新的挑戰(zhàn)，也給中小EDA公司帶來了很多新的機會，比如全芯片并行門級仿真，復雜電路的快速ECO收斂，先進工藝庫的穩(wěn)定性審查領域，EDA大廠在這些方面尚無成熟的解決方案，而中小EDA公司已經提供了相關解決方案。

當前國家大力發(fā)展芯片產業(yè)也給中小EDA公司帶來了新的機遇，但是國內中小EDA企業(yè)的運營環(huán)境還是不容樂觀，存在人才和技術門檻兩個挑戰(zhàn)。在EDA軟件研發(fā)人才方面，國內設立EDA專業(yè)的高校不太多，而且互聯網和金融行業(yè)吸引了大量的軟件開發(fā)人才，導致EDA軟件研發(fā)人才嚴重不足。

許多EDA公司不僅提供EDA軟件，同時也提供IP，這個模式目前越來越流行，其中有一個重要原因是：EDA公司設計IP，可以省掉采購EDA工具的費用，直接用自己開發(fā)的EDA工具即可，從而降低成本。另外，為提高IP的性能，EDA公司可以定制開發(fā)一些EDA功能來提升IP的質量，而普通的IP公司這方面有一定欠缺。

本土EDA公司有哪些？

2019年3月16日，國家科學技術部黨組成員、副部長李萌在北京華大九天軟件有限公司（以下簡稱“華大九天”）考察調研中指出政府會持續(xù)關注和支持國產EDA的發(fā)展，希望并勉勵華大九天在中國電子的帶領下要有戰(zhàn)略定力，堅定不移地發(fā)展好國產EDA事業(yè)。

作為芯片設計領域的第一環(huán)，EDA在整個集成電路產業(yè)鏈條中擁有重要的地位，但EDA卻是我國集成電路的一大短板。

目前，在國家及地方政府大力支持集成電路產業(yè)發(fā)展的前提下，已擁有華大九天、廣立微、芯禾科技、藍海微、九同方微、博達微、概倫電子、珂晶達、創(chuàng)聯智軟等EDA企業(yè)，但大部分以點工具為主，缺乏全面支撐產業(yè)發(fā)展的能力，存在產品不夠全、與先進工藝結合存在不足、人才不足等問題。中國EDA的發(fā)展需要實現由“點”突破，向”線”、”面”發(fā)展。

當然，我國EDA廠商也在力爭上游，并逐步突破國際壟斷。

華大九天

華大九天成立于2009年，其業(yè)務起步于原華大電子 “熊貓”EDA設計平臺。作為CEC中國電子旗下的二級子企業(yè)，目前已經成為我國規(guī)模最大、技術最強的EDA龍頭企業(yè)，也是大規(guī)模集成電路CAD國家工程研究中心依托單位，承擔著國產EDA軟件研發(fā)與推廣的重任。

華大九天可以提供全流程數?；旌闲盘栃酒O計系統、SoC后端設計分析及優(yōu)化解決方案、平板(FPD)全流程設計系統、 IP 以及面向晶圓制造企業(yè)的相關服務，其業(yè)務包括EDA電子設計自動化、Foundry工程服務、IP及設計服務，客戶覆蓋國內眾多集成電路企業(yè)。

天津藍海微科技有限公司

天津藍海微科技有限公司（以下簡稱“藍海微”）主要方向為layout相關EDA點工具與服務，據其官方介紹，該公司在寄生參數提取、版圖驗證、OpenAccess平臺軟件開發(fā)、PDK開發(fā)與自動生成等多個領域具有獨到的技術優(yōu)勢。

廣立微

杭州廣立微電子有限公司（以下簡稱“廣立微”）是一家提供性能分析和良率提升方案的供應商，可以提供基于測試芯片的軟、硬件系統產品以及整體解決方案，可用于高效測試芯片自動設計、高速電學測試和智能數據分析的全流程平臺，利用特有的流程平臺與技術方法來提高集成電路性能、良率、穩(wěn)定性和產品上市速度的定制服務。

芯禾科技

蘇州芯禾電子科技有限公司（以下簡稱“芯禾科技”）成立于2010年, 專注電子設計自動化EDA軟件、集成無源器件IPD和系統級封裝SiP微系統的研發(fā)。芯禾科技致力于為半導體芯片設計公司和系統廠商提供差異化的軟件產品和芯片小型化解決方案，包括高速數字設計、IC封裝設計、和射頻模擬混合信號設計等。

成都奧卡思微電科技有限公司

成都奧卡思微電科技有限公司（以下簡稱“奧卡思”），奧卡思是由三位硅谷中國博士于2016年1月在硅谷創(chuàng)立，2018年3月落地于成都高新園區(qū)（總部），其主要業(yè)務為集成電路設計 (EDA)的研發(fā)和咨詢，在驗證工具方面獨具特色，已推出應用于芯片設計的功能特性驗證的AveMC與全流程設計平臺MegaEC。

深圳鴻芯微納技術有限公司

深圳鴻芯微納技術有限公司成立于2018年1月，經營范圍包括微電子超大規(guī)模集成電路芯片設計、電子設計自動化軟件工具及系統開發(fā)、納米級工藝庫開發(fā)、產品設計、計算機系統技術服務、銷售電子產品、經營進出口業(yè)務等，曾用名“深圳阿凡達微納技術有限公司”，其EDA產品主要為Placement&Routing相關工具。

蘇州珂晶達電子有限公司

蘇州珂晶達電子有限公司（以下簡稱“珂晶達”）成立于2011年，提供半導體器件仿真、輻射傳輸和效應仿真等技術領域的數值計算軟件和服務，產品特色在于深入理解物理原理，并用軟件高效地實現，使得能在工程實踐中快速應用。

湖北九同方微電子有限公司

湖北九同方微電子有限公司（以下簡稱“九同方”）成立于2011年，擁有16名留美博士核心研發(fā)團隊。據其官網介紹，九同方可提供完備的IC流程設計工具，形成了IC電路原圖設計、電路原理仿真（超大規(guī)模IC電路、RF電路）、3D電磁場全波仿真的IC設計全流程仿真能力。

北京博達微科技有限公司

北京博達微科技有限公司（以下簡稱“博達微”）是器件模型、PDK 相關 EDA 工具及 AI 驅動半導體參數測試解決方案供應商。其官網顯示，博達微也是全球唯一提供包含高精密參數化測試、器件建模仿真、PDK 開發(fā)與驗證的完整軟硬件工程服務體系。

濟南概倫電子科技有限公司

濟南概倫電子科技有限公司（以下簡稱概倫）于2010年3月成立，是一家電路仿真/良率導向設計技術和半導體器件模型/噪聲測試解決方案的廠商，其產品發(fā)展方向包括新一代大規(guī)模高精度仿真及設計驗證平臺、針對納米級制造技術的半導體器件建模庫平臺及測試驗證系統等，即以建模、仿真和驗證為主。

杭州行芯科技有限公司

杭州行芯科技有限公司（以下簡稱“行芯科技”）是一家專注于集成電路芯片的設計軟件與IP開發(fā)的高新技術創(chuàng)業(yè)企業(yè)，其核心團隊來自于美國硅谷，致力為客戶提供人工智能時代算力與能耗、芯片性能與研發(fā)能力的解決方案。

國內EDA研究現狀

在中國，業(yè)內人士常說：“觀華大九天的發(fā)展歷程，便能看到中國EDA的發(fā)展之路?！钡拇_，華大九天成立于2009年，其前身曾承擔了重大科技攻關研發(fā)項目熊貓IC CAD系統，并因此獲得國家科技進步一等獎，從而打破了當時西方發(fā)達國家對中國EDA軟件的禁運。華大九天現有研發(fā)團隊碩博比例超過80%，擁有多名電子設計自動化專家。經過9年的自主研發(fā)，華大九天已經陸續(xù)向市場推出了二十余款自主知識產權的EDA軟件，其中部分產品在業(yè)內技術處于領先水平，在國內外擁有200余家客戶。華大九天作為IC CAD國家工程研究中心的依托機構見證了中國EDA的成長。

機遇總是與挑戰(zhàn)并存，目前國內在高端EDA工具研發(fā)方面，面臨著如Synopsys、Cadence和Mentor等國際EDA供應商的巨大挑戰(zhàn)，即使是作為本土最大的EDA公司，華大九天目前也只能夠提供產業(yè)所需EDA解決方案的1/3左右。

華大九天還與中科院微電子所，復旦大學等國內研究機構合作開發(fā)EDA工具，積極與國內頂尖高校合作開展“華大九天”大學計劃。近年來，華大九天先后與清華大學、復旦大學、浙江大學、福州大學等國內一流高校開展了深入的人才培養(yǎng)計劃——聯合建立“華大九天實驗室”，與國科大微電子學院成立企業(yè)定制研究生班“2018華大九天班”，編訂相關教材，支持大學生及研究生設計大賽，為公司及行業(yè)豐富了人才的儲備。

3月16日，國微集團（深圳）有限公司（以下簡稱“國微集團”）與西安電子科技大學（以下簡稱“西電”）聯合舉辦西電國微EDA研究院揭牌儀式暨專家報告會。西電楊宗凱校長、中科院院士郝躍、清華大學微電子所所長魏少軍、西電黨委副書記楊銀堂、國微集團董事會主席黃學良、總裁帥紅宇、深圳鴻芯微納有限公司總裁黃小立等到場，共同見證了西電國微EDA研究院的正式成立。

國內哪些高校IC設計做得好？

芯片設計方向的前10所大學：復旦大學微電子系、清華微電子、北大微電子、上海交通大學微電子、西安交通大學微電子、華中科技大學、浙江大學、東南大學、成電、西電。在這10所學校中，復旦、清華應該屬于第一檔次；北大、上海交大、西安交大屬于第二檔次。剩余高校為第三檔次。

國內鼓勵EDA發(fā)展政策

1、近日，深圳印發(fā)了《關于加快集成電路產業(yè)發(fā)展若干措施》，多措施推進深圳集成電路產業(yè)重點突破。

其中的亮點是：推出國內首個明確支持EDA研發(fā)的政策。

a. 對從事集成電路EDA設計工具研發(fā)的企業(yè)，每年給予EDA研發(fā)費用最高30%的研發(fā)資助，總額不超過3000萬元。

b. 對集成電路設計企業(yè)購買EDA設計工具軟件的，按照實際發(fā)生費用的20%給予資助，每個企業(yè)年度總額不超過300萬元。

2、國微技術全資子公司國微集團（深圳）有限公司（“國微深圳”）已獲批國家重大科技專項，專項子課題“芯片設計全流程EDA系統開發(fā)與應用”（“該項目”）已獲立項。為此，國微深圳將獲得該項目資助共計約4億元（資助），其中50%由中央財政經費資助，其余50%由深圳市政府資金支持。截止公告發(fā)布日，國微深圳已收到首批中央財政經費約7500萬元。

3、（2018年9月12日，北京）本土電子設計自動化（EDA）領軍企業(yè)北京華大九天軟件有限公司（華大九天）今日宣布，已完成2018年新一輪融資工作。華大九天近幾年業(yè)績成長迅速，伴隨EDA在集成電路產業(yè)鏈中的重要戰(zhàn)略地位日益凸顯，本輪融資獲得了眾多投資機構的廣泛青睞，最終由國家集成電路產業(yè)投資基金（“大基金”）領投，中國電子、蘇州疌泉致芯、深創(chuàng)投、中小企業(yè)發(fā)展基金等跟投。自2017年底至今，華大九天已獲得累計數億元投資，這將極大地促進華大九天EDA及相關業(yè)務的快速發(fā)展。

國內EDA產業(yè)落后原因淺析 ? 國內IC產業(yè)發(fā)展非常迅速，IC產業(yè)出現了很多新的方向，比如IOT，AI等，而且國內芯片公司起點高，也采用了很多最新的工藝，比如16nm,12nm和7nm。新工藝和新芯片應用方向給現有EDA行業(yè)和芯片設計流程帶來了新的挑戰(zhàn)，也給中小EDA公司帶來了很多新的機會，比如全芯片并行門級仿真，復雜電路的快速ECO收斂，先進工藝庫的穩(wěn)定性審查領域，EDA大廠在這些方面尚無成熟的解決方案，而中小EDA公司已經提供了相關解決方案。當前國家大力發(fā)展芯片產業(yè)也給中小EDA公司帶來了新的機遇，但是國內中小EDA企業(yè)的運營環(huán)境還是不容樂觀，存在人才和技術門檻兩個挑戰(zhàn)。 ? 在EDA軟件研發(fā)人才方面，國內設立EDA專業(yè)的高校不太多，而且互聯網和金融行業(yè)吸引了大量的軟件開發(fā)人才，導致EDA軟件研發(fā)人才嚴重不足。其次，EDA行業(yè)存在高度壟斷，前3家EDA公司壟斷了國內芯片設計95%以上的市場，他們給客戶提供完整的前后端技術解決方案，與他們之間無法正面競爭，只能通過提供他們沒有的點工具和更優(yōu)質的服務來爭取客戶。 ? 在國家政策方面，建議國家制訂相關政策對國產EDA產品的采購傾斜（國產EDA工具沒人用是關鍵的原因）；其次，對最新的芯片研發(fā)方向，鼓勵芯片公司和風投進入EDA產業(yè)，開發(fā)具有專用領域特色的EDA產品，并且采用國家采購政策給予中小EDA公司一定財政支持；另外，對于EDA產業(yè)加強軟件專利的保護，建立健康的EDA產業(yè)環(huán)境，國內的EDA產業(yè)才能和IC設計公司一同快速成長。 ? 除了國家方面的大力扶持，國內EDA產業(yè)界迫切需要研發(fā)出可以媲美國際大廠的產品。成熟工藝的設計，對應的EDA設計軟件和流程都很完善和穩(wěn)定。只有在基于最先進工藝的設計中，才有可能發(fā)現流程的缺陷和潛在的產品機會。隨著更多設計公司產品向高階領域進軍，這也許是國內中小EDA公司的機會。目前國內有不少中小EDA公司還是踏踏實實的在做事情，我們希望IC設計公司還是可以給予這些國內EDA公司機會，讓他們可以在舞臺上與國際大廠一較高下。

未來EDA軟件的發(fā)展方向 ? 云端軟件和服務是未來的趨勢，它有兩個好處，一是軟件按照服務的時間長短收費，對于客戶可以節(jié)省EDA的購買費用，比如客戶整個開發(fā)階段為12個月，其中前端階段時間8個月，后端階段時間是4個月，那么可以購買8個月的前端設計EDA軟件云服務和4個月后端實現EDA軟件云服務，相比原來需要購買1年的完整前后端設計EDA軟件許可，可以大大節(jié)省EDA軟件的許可費用；二、對于EDA軟件公司來說，提供EDA云服務也能有效的防止軟件盜版的發(fā)生，推進了軟件的正版化；不過數據安全問題仍然是云服務的突出問題，公有云無法滿足客戶的數據安全的要求，這個尚待完善。

不過這確實是EDA軟件的使用模式的未來方向，從按照軟件使用付費轉為按照服務質量進行付費。云端服務的最大阻礙就在于EDA行業(yè)的高度壟斷，大的EDA公司應該是不太愿意采用這種方式。不過對于公司內部的私有云方式，有可能是他們可以接受的。

芯片敏捷設計也是一個主要方向。根據算法和軟件需求定義芯片架構，結合模版元編程(Meta-Programming)和高層次綜合(HLS)的設計方法，快速設計、快速迭代，打造性能更優(yōu)的工業(yè)制造專用芯片。據了解，高層次抽象(HLS)技術，可以直接將高層次抽象代碼，例如C++等綜合成網表，因此可以極大的縮短芯片研發(fā)的周期。

同時利用圖靈完備的模板編程，讓芯片變得高度可配置化，快速適應各種場景。值得一提的是，芯片敏捷設計(Agile Development)是最近國際芯片巨頭AMD、英偉達、高通等公司都在深入拓展的領域，也是過去一年中，美國最頂尖的政府研究機構-國防高等研究計劃部（DARPA）重點資助的方向。

審核編輯：黃飛

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