“芯片之母”EDA软件是什么？

老牛

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谈起国内芯片的发展，总会出现两种比较极端的声音，一种认为国产芯片很牛、很快就能实现超越；另一种认为国产芯片很差，甚至再过10年也无法完全自主。


那么国产芯片到底什么水平呢？今天就来聊一聊第一课“EDA软件”。


什么是EDA软件，为什么一定要用EDA软件

EDA是英文 Electronic Design Automation 的缩写，翻译成汉语就是 电子设计自动化。它是设计大规模集成电路必备的工具，因此也被称为EDA工具。


其实在EDA软件出现之前，设计师只能用手完成芯片设计、布线，当然当时的芯片都十分简单，不像现在这样动不动就集成几十亿、甚至上百亿个晶体管。

到了70年代中期，“设计自动化研讨会”创建，同时开发出了第一款电路布局、布线工具，芯片设计开始逐步走向自动化。

1980年，卡弗尔·米德和琳·康维发布了一篇论文，名为《超大规模集成电路系统导论》。它的最大意义在于提出了利用编程语言来进行芯片设计的新方案，芯片设计的复杂程度开始成指数级的增长。


新方案也将EDA工具大幅度的改善，对人工设计的要求大幅降低，错误率也随着降低，甚至可以在构建硬件之前进行仿真。


1981年，EDA开始商用，并在1984年举办了第一个EDA为主题的销售展览。

1986年，设计语言Verilog诞生，可以用来进行各种层次的逻辑设计，也可以进行数字系统的逻辑综合，仿真验证和时序分析等。

1987年，美国防部设计出了VHDL语言，主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。可以提高设计的可靠性和缩减开发周期。

2000之后，逐渐形成了三大EDA公司（EDA三巨头），即：Synopsys（新思科技）、Cadence（铿腾电子）、Siemens EDA（前明导国际，现被西门子收购）。

三大EDA公司历经多轮商业厮杀和优胜劣汰后侥幸存活下来，它们通过兼并重组做强做大，完善设计流程，最终形成了强大的产业链、绝对的专利壁垒和一流的人才技术。

此时，EDA软件已经和芯片制造厂商紧密结合在一起，开发出了OPC（过程控制）工具、DFM（可制造性设计）工具。

同样，芯片制造厂商也成为了EDA的深度用户，不仅在制造方面需要使用EDA工具，在标准单元库、SRAM设计上也需要使用。

在摩尔定律的指引下，芯片每隔18-24个月就要迭代一次，EDA软件也随之更新。

智能手机、平板电脑、蓝牙耳机等产品的诞生极大地推进了移动芯片的增速，移动芯片更加精密，对制造、设计提出了更高的要求，也更加依赖EDA。

如今的芯片从系统架构、设计、到制造端，甚至封装测试都离不开EDA软件。

EDA软件极大的赋能了芯片的设计与制造，当之无愧的站上了产业链的顶端。

EDA设计流程


芯片设计流程如下：


前端设计和仿真——后端设计及验证——后仿真——signoff检查——数据交付代工厂。

前端设计：主要是模拟电路设计和Verilog代码；仿真就是功能和性能的仿真。

后端设计：从设想到实体，也称物理设计和版图设计。将用器件符号和字母组成的数据转换为图形。制造厂商将以此作为掩膜版的制作依据。这个过程会引入寄生电容和寄生电阻。

后仿真：前端设计无法预料到后端设计的全部内容，因此在布线、引入电容、电阻时按照理想状态来设计。此时，后仿真就是一个验证过程，如果无法通过就必须返回重新设计。

Signoff, 翻译成中文为“签核”，即按厂家的要求做最后一次的规则验证，通常我们在设计的时候，会将厂家要求的标准提高一些来做。

数据交付：以gds的形式，同时确保验证和仿真全部通过。

这一系列流程最好用的EDA工具基本都来自三巨头。最要命的是不管苹果、英特尔、高通、ARM、三星、华为、联发科，再牛的设计公司也要用到三巨头的部分软件。


EDA三巨头


在EDA行业中，有三家公司非常强大，基本垄断了整个行业。分别是新思科技、铿腾电子、Siemens EDA。

新思科技成立于1986年，总部位于加利福尼亚州，主要提供EDA解决方案，芯片接口IP、信息安全服务等；

铿腾电子成立于1998年，总部位于加利福尼亚州，提供智能设计策略，硬件、软件、IP服务；

Siemens EDA 就是之前的明导国际，于2017年被西门子收购，改名为Siemens EDA。提供全面的EDA硬件、软件、服务组合产品。

目前三巨头占据了70%的市场份额，其中新思科技占比32%，铿腾电子占比23%，Siemens EDA占比14%，剩余30%被其他厂商瓜分。

三巨头业务遍布全球，同时全面布局，又各具特色。


新思科技主攻数字芯片设计、静态时序验证、SIP，长期与台积电、三星、英特尔合作。

铿腾电子主攻模拟、数模混合平台，数字后端、DDR、IP，长期与台积电、ARM合作。

Siemens EDA主攻后端验证、可测试性设计、光学临近修正，长期与台积电、ARM、AMD合作。

还有一点也足以证明三巨头的强大。

我们都知道芯片的制程是不同的，28nm、14nm、7nm、5nm等等，而芯片制造环节最强的台积电、三星均已量产4nm芯片，开始研发3nm芯片了。但是你知道EDA软件也分制程吗？

三巨头的EDA软件可以设计7nm以下制程的芯片，而其他厂商则很少能够做到，有的甚至只能设计160nm以上的芯片，这就是赤裸裸的差距啊！

可以说三巨头以外的EDA公司，不仅市场份额偏低，技术差，而且无法全面布局，与台积电、三星、ARM这类芯片巨头合作也甚少。

那么问题来了，国内EDA软件是什么水平呢？与三巨头差距有多大呢？


国产熊猫EDA

1978年，在广西桂林召开了一个“数字系统设计自动化”学术会，吸引了67个单位，140多名代表参加。

会议结束后，刊登了18篇文章，包括：自动逻辑、模拟技术、电路分析、排版布线、集成电路设计等多个方面。我国EDA事业从此开始。

但没过多久，出口到我国的EDA软件就遭受管制，无奈，只能自己研发。

1988年，国家动员了17个单位，200多名专家进京共商大事，这件大事就是研发自己的EDA软件系统。

1993年，中国第一款自主知识产权 EDA工具问世，并被命名为“熊猫系统”，寓意 EDA 的珍贵且稀有。

“熊猫系统”获得国家科学技术进步一等奖，不仅填补了我国在EDA领域的空白，同时打破了国外的封锁。

“熊猫系统”核心部分由 28 个设计工具组成，共 180 万行代码，具有集成电路设计所需要的行为功能级描述、版图编辑、逻辑和电路模拟、测试码生成、自动布局布线和版图验证等功能。

很快熊猫软件就被国内芯片设计公司采用，安装了55套系统，开发了200多种芯片，并建成了7个单元库。

当时的“熊猫系统”比三巨头落后5年左右，但价格只有1/10，因此海外一些要求不高的芯片厂商也开始采用“熊猫系统”。

正当熊猫软件快速发展时，“禁令”被打破。于是EDA三巨头纷纷进入中国市场。很快，国内设计公司、研究中心、科研院校开始放弃熊猫系统，转而采用了新思科技的EDA软件。

“禁令”一事被抛到九霄云外，“造不如买”的思想重新站上高地，国产熊猫系统迅速陷入了低谷。

在今后的10多年中，三巨头攻城略地，兼并重组。而以熊猫系统为代表的国产EDA软件则原地踏步，甚至不进反退。失去了追赶三巨头的绝佳机会。


华大九天

2008年，EDA获得国家支持，国产EDA的春天再度到来，而这个春天萌发的第一支新芽就是“华大九天”。

华大九天成立于2009年6月，由华大集团和国投高科共同出资，专门从事EDA软件开发和服务。

华大九天接管了熊猫系统的技术、团队、产品和市场，拥有了国内最强的产品开发团队和众多客户群体。

经过多年的研发，华大九天在液晶显示领域成功突破，成为了全球唯一一个能够在全流程 FPD（平板）设计解决方案的供应商。

尽管华大九天在国内是顶级的EDA软件商，但拿到国际上只能算二流水平，与EDA三巨头根本不可同日而语。


华大九天研发团队不足500人，三巨头任何一家研发团队规模都比其多10倍以上。

在工艺方面，华大九天只有电路仿真支持5nm工艺，其余尚未支持16nm及以下先进工艺。而三巨头已经全面支持3nm工艺了。

最现实的例子，国内华为、联想、紫光都采用了三巨头的EDA软件。其中，模拟/数模混合芯片设计一般采用铿腾电子平台，数字芯片设计一般采用新思科技平台。

那么有网友问了，当年熊猫和三巨头差距仅有5年，如今继承熊猫的华大九天就真的没有任何亮点吗？

华大九天在EDA中真正认可的就是正向设计，当然也主要是在模拟电路中，也就是常说的ALPS（模拟电路仿真）。在14nm及以上成熟工艺中和三巨头水平相当。

究其原因，因为模拟设计对软件要求较低，但对设计工程师要求相对较高。所以华大九天就以模拟的电路仿真软件为突破口，然后逐步过渡到模拟全流程、数字后端等软件的发展。

华大九天未来只能从点突破，突破成功后，再向面扩展。但由于大部分技术、专利被三巨头垄断，加之国内人才稀缺，华大九天的突围注定是艰难的。

写到最后


“芯片之母”EDA是用来设计大规模集成电路的，也是整个芯片环节的第一步。如果没有EDA，第一步都迈不出去，谈何制造、应用呢？


当年我国产的“熊猫系统”有望成为世界一流的EDA软件，但中途自废武功，原地踏步了15年，实在可惜。

如今继承了熊猫系统技术、人才、市场的华大九天奋起直追，未来10年能否追平呢？