EDA（电子设计自动化）

7EDA发展历程
8EDA应用案例

EDA(电子设计自动化)是什么

EDA，全称是Electronic Design Automation，中文为电子设计自动化，集成电路领域的CAD加CAE，典型的技术与知识密集型产业。指的是利用计算机辅助设计(CAD)软件，来完成超大规模集成电路(VLSI)芯片的功能设计、综合、验证、物理设计(包括布局、布线、版图、设计规则检查等)等流程的设计方式。工程师利用 EDA 工具，将芯片的电路设计、性能分析、设计出 IC 版图的整个过程交由计算机自动处理完成。

简单地理解，EDA就是专门用来设计芯片的软件，又因为芯片在实际生产环节的试错成本过高，所以要求EDA也具备强悍、专业的仿真和验证能力，从而提高芯片流片甚至生产环节的成功率。EDA广泛应用于芯片的设计、制造、封测、封装等多个环节，承担着电路设计、电路验证和性能分析等多项芯片开发过程中的核心工作；同时，EDA软件的功能复杂程度，也决定了EDA是一种综合了多学科知识的高精尖软件，需要融合图形学、计算数学、微电子学，拓扑逻辑学、材料学及人工智能等多领域技术，具备很高的进入璧垒。

EDA的应用包括模拟电路、数字电路、FPGA、PCB、面板等多个领域的设计工作。

EDA工具

从功能来看整个集成电路EDA工具通常可以分为三大类。

(1)综合设计工具。主要应用于Fabless厂，完成系统整合、逻辑综合、布局布线等各级设计。

(2)仿真工具。验证设计的正确性并优化设计结构，包括电路仿真与验证、物理设计规则检查等。

(3)测试与数据管理工具。主要应用于Foundry厂，完成测试芯片的设计、提升测试精度、进行制造工艺和成品的数据分析等。

从底层技术来看， EDA工具需要对数千种情境进行快速设计探索，实现性能、功耗、面积、成本等芯片物理指标和经济指标的平衡，需要计算机、数学、物理、电子电路、工艺等多种学科的紧密配合，是典型的技术与知识密集型产业^[1]。

eda

EDA是广义CAD的一种，是细分的行业软件。利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，完成电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程.EDA可分为电子电路设计与仿真、PCB设计软件、IC设计软件三大类

(1)电子电路设计与仿真

对设计好的电路图通过仿真软件进行实时模拟，模拟出实际功能，然后通过其分析改进，从而实现电路的优化设计

(2)PCB设计软件

画板级电路图，以及布局布线和仿真的工具，就是用来摆放元器件，然后再把元器件的线连接起来

(3)IC设计软件

设计输入工具：任何一种EDA软件必备的基本功能

设计仿真工具：验证设计是否正确

逻辑综合工具：把HDL变成门级网表

STA (静态时序分析)：在时序上对电路进行验证

形式验证：从功能上对综合后的网表进行验证

DFT (可测性设计)：将一些特殊结构在设计阶段植入电路，以便设计完成后进行测试，减少测试成本

布局和布线：用于标准单元，门阵列已可实现交互布线

寄生参数提取：分析信号完整性问题，防止因导线耦合导致的信号噪声

物理验证工具：版图设计工具、版图验证工具、版图提取工具

模拟电路仿真器：针对模拟电路的仿真工具

EDA

EDA要素

EDA 技术包含硬件、语言、工具等要素。EDA 技术是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关软件，自动完成用软件的方式设计电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化，逻辑布局布线、逻辑仿真。完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的技术。

(1)设计载体：大规模可编程逻辑器件(PLD，包括 PAL、GAL 等)

(2)表达方式：硬件描述语言(VHDL 和 Verilog 等)

(3)设计工具：开发软件及实验开发系统(CAD、CAE、EDA 软件)

(4)覆盖环节：电子系统到硬件系统(逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化，逻辑布局布线、逻辑仿真、对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等)

EDA系统模块

EDA 系统包含设计输入子模块，设计数据库子模块，分析验证子模块，综合仿真子模块，布局布线子模块等。通过各个模块解决芯片设计流程中涉及的设计、验证、仿真、布线等问题。

EDA作用

设计是芯片产业的第一环，缺少EDA就难以进行芯片的设计、研发和生产。从集成电路产业链上来看，EDA属于集成电路产业链。从芯片生产环节上来看，EDA是芯片生产的第一环:在芯片实际生产过程中，首先需要通过EDA软件做芯片设计和仿真测试，之后才能进行流片和投产，EDA软件是芯片产业中不可以跳过的第一环，只有当EDA完成芯片设计和仿真测试之后，后续环节才能依次开展。从技术难度上来看，EDA的门槛高、难度大，不存在替代品；现代化芯片产业是纳米量级的设计和制造，CAD/CAE等通用性的设计软件也不能满足芯片产业的专业性要求，缺少了EDA软件的话整个芯片产业都将难以为继。EDA在芯片产业中位置举足轻重，可以说，没有EDA就没有现代芯片产业可言，与此同时，一款优秀的EDA软件能在大幅提升芯片研发效率的同时降低芯片制造和封测成本，能够显著推动芯片行业的发展^[2]。

随着超大规模集成电路的持续发展，晶体管密度快速上升，芯片设计难度持续加大，加上工艺变革的加快，电子工程师更加需要利用EDA工具来提升逻辑综合、布局布线、仿真验证的效率， EDA变得越来越重要，EDA的主要作用有：

(1)将复杂物理问题用数学模型高度精确化表述，在虚拟软件中重现芯片制造过程中的各种物理效应和问题

(2)在确保逻辑功能正确的前提下，利用数学工具解决多目标多约束的最优化问题，求得特定半导体工艺条件下，性能、功耗、面积、电气特性、成本等的最优解

(3)验证模型一致性问题，确保芯片在多个设计环节的迭代中逻辑功能一致

EDA工作流程

EDA工作流程:含输入、综合、适配、仿真和下载等五个步骤

EDA发展历程

(一)全球EDA发展

1970 年EDA随着计算机、集成电路、电子系统的发展而兴起，正逐步走向专业化。总体来看，EDA 行业的发展历程大体可以分为 CAD 阶段、CAE 阶段和 EDA 阶段和现代EDA四个阶段：；

(1)早期-CAD 阶段(1970-1980 年)

中小规模集成电路已经出现，手工绘制版图设计印刷电路板的方法已无法满足精度和效率的要求，设计师开始借助于计算机完成印制电路板设计。于是，出现了第一代的 EDA 工具，利用二维平面图形的 CAD(Computer-aided design)工具进行电路原理图编制、PCB 布局布线等；；

(2)发展期-CAE 阶段(1980-1990 年)

由于集成电路规模的逐步扩大和电子系统的日趋复杂，出现了以计算机仿真和自动布局布线为核心的第二代 EDA 技术，即 CAE(Computer Aided Engineering)，将各个 CAD 工具集成为系统，从而加强了电路功能设计和结构设计，该时期的 EDA 技术已经延伸到半导体芯片的设汁，生产出可编程半导体芯片；；

(3)成熟期-EDA 阶段(20世纪90年代)

芯片的复杂度进一步提升，给 EDA 技术提出了更高的要求，也促进了 EDA 技术的大发展。EDA 的发展集中到加强自动化和智能化方向，致力于设计语言和高层设计理念上实现统一，促使 EDA 系统能够完成电子产品的系统级至物理级的设计。各公司也相继开发出了以高级语言描述、系统级仿真和综合技术为特征的大规模 EDA 软件系统^[3]。

(4)阶段四:现代EDA

进入21世纪，EDA技术发展迅速，贯穿包括集成电路设计、制造、封装、测试.

在内的产业链全流程。此时EDA技术的主要特点为，在仿真验证和设计两个层面

支持标准硬件语言的EDA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。

(二)我国EDA发展

国产EDA先后经历封锁、突破、沉寂、起航、提速等历史阶段。建国初期，巴黎统筹委员会对我国实行禁运，国外EDA工具无法进入中国，国内市场处于空白状态。1988-1994 年，为打破西方封锁，国家开启国产EDA工具“熊猫系统”的联合攻关，并于1992 年研发成功。到2008年，伴随着“巴统”封锁的解除， Cadence.Synopsys等技术成熟的海外巨头纷纷进入中国市场，国产厂商进入了长达15年的发展沉寂期。2008-2018 年，EDA技术被正式列入国家“核高基”重大科技专项。进入2018年，受地缘政治的影响，国产EDA的政策支持力度再次加大。同时在资本市场的助力下，国产厂商进入发展提速阶段^[4]。

eda