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EDA

EDA是芯片之母,是芯片产业皇冠上的明珠,是 IC设计最上游、最高端的产业。 

EDA 是电子设计自动化的简称,是从 CAD、CAM、CAT 和 CAE 的概念发展而来的,随着集成电路技术 发展,EDA 越来越被业界予以“芯片设计软件工具”的代名词。EDA 是集成电路设计必需、也是最重要 的软件工具,EDA 产业是 IC 设计最上游、最高端的产业。2018 年全球集成电路产值近 5 千亿美金,中国 集成电路进口金额超 3 千亿美金,EDA 是集成电路产业产能性能源头,从仿真、综合到版图,从前端到后 端,从模拟到数字再到混合设计,以及后面的工艺制造等,EDA 软件工具涵盖了 IC 设计、布线、验证和 仿真等所有方面,是集成电路产业的“摇篮” 。

全球 EDA产业形成三巨头公司寡头垄断格局。 

EDA 是集成电路产业链相对产值较小但又极其重要的关键环节,具有―体量小、集中度高‖的特点。2018 年相对于近五千亿美金的芯片产业,整个 EDA 的市场规模仅为 97.15 亿美元,而其中有 70%的市场份额 都由 EDA 三巨头 Synopsys、Cadence 和西门子旗下的 Mentor Graphics 占据。在中国市场,集中度更高, EDA 销售额的 95%由以上三家瓜分。

EDA 三巨头公司都基本能给客户提供全套的芯片设计 EAD 解决方案。Synopsys 最全面,它的逻辑综合 工具 DC,时序分析工具 PT 占据统治地位;Cadence 的强项在于模拟或混合信号的定制化电路和版图设 计;Mentor Graphic 点工具很出色,但在集成度上难以与两家抗衡。探究三巨头成功存在三要素:一、持 续并购重组,二、高研发投入,三、美国政府的支持。

没有了美国的EDA,中国是不是芯片都不能做了?

回答很精练,180nm/350nm以上的部分老工艺线是可以用破解版或国产替代版继续做的,但深亚微米级130nm/90nm开始就很难离得开正版授权了,越往下越难,到了22nm以下,就完全不可能了。(SiSC按:参照windows系统在中国市场的层层推进,我们始终要过渡到为此买单的时候;旧版或者破解版只能是缓兵之计。培育或开发出替代EDA软件才是解决方法。笔者今天仔细阅读了华为任正非关于基础理论积淀不足的大前提下与其宣扬自主创新不如站在巨人肩膀上再谈研发创新这个论点,深以为然!)

那么,在IC设计中EDA可否缺席呢?答案是否定的。大家熟知的Office、AutoCAD等工具类软件很纯粹,脱机都可以用,完了打印出来就可以;与之不同,芯片的自动化设计软件(EDA)工具软件其最大特点是,EDA与芯片代工厂存在高度的绑定关系,工程师在设计时,需要代工厂提供数据包,称之为PDK,包含了诸如晶体管、MOS管、电阻电容等基础器件或反向器、与非门或非门、锁存器、寄存器等逻辑单元的基本特征信息,这个数据包会不断优化,更新频繁,同时对EDA软件有绑定及校验的作用,一般只支持当前最新版的工具。

一. 为什么要用EDA?

EDA,Electronic design automation,中文叫电子设计自动化。

最早的集成电路是用手工做的,因为就几个管子,前端可以手工完成其功能的计算,后端版图就根据电路图,将管子,连线用笔转移为几何图形,画出胶带(算是掩膜的老祖宗),因为管子少,线也简单,所以不容易出错。这是60年代——70年代中期的事情。(国内有些公司十年前都还在用,不知道现在如何。)

但是,到了几十个,几百个器件或单元的时候就不行了,肉眼非常容易出错。

比如这种:整个模块也就五百多个管子吧,截了大概5%的区域出来,这个人手工怎么做呢,做完怎么保证百分百不会错呢,如果用自动布局布线工具,大概也就几秒就运行出来了,而且不会错。

1数字网表导出来的电路图.png

数字网表导出来的电路图

这个自动布局布线出来的版图,用了7层金属,上千条毫无规律的线,试问怎么去画?怎么去查?

2数字版图.png

数字版图

这是目前比较典型的一个SOC(system on chip)芯片(CPU就是SOC的一种)的图,里边包含了数字电路也包含了模拟电路IP,上面这个数字版图的截图,可能只是下面这个完整版图的千分之一,甚至更少,你要知道最古老的SOC里的晶体管都是千万级以上,现在的个数更是动辄就是几亿,甚至上十亿:

3SOC示意图.png

典型的SOC示意图

一条线连错了,可能整个产品的功能就变了,也就是你花几千万,只能得到一堆人都砸不了的板砖。之前所有投入全部打水漂。一般来说制程越先进,制造和研发费用愈来愈昂贵,哪怕是很老的0.5um, 0.35um的工艺,虽说只要几十万,几百万,但那也是钱哪,更别说到了28nm下制程动辄都是千万级美元的费用,10nm,7nm更是亿级美元了,流几次片没成功直接倒闭的公司数不胜数。所以必须使用计算机来辅助设计!

二. EDA的种类介绍

做了张脑图,大家先看下芯片的大致流程:

4芯片设计流程.jpg

当然实际设计会更复杂;随着制程线宽的变小,会进一步加剧流程各环节的复杂度以及增加环节内部的新的验证项目,但大体还是以下步骤:前端设计和前仿真—后端设计及验证—后仿真—signoff检查—数据交付代工厂(以gds的形式)

这里,我需要稍微解释一下两个重要概念:

  • Signoff (签核):比较抽象,简单说就是按厂家的默认设置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。
  • 后端设计:可以理解为将电路从器件符号形式转为几何图形形式,以指导掩膜版的设计。

然后,我把设计流程里各个环节能用且好用的软件罗列一下(可以看到基本都是Cadence、Synopsys、Mentor三家的产品):

1、模拟及混合信号类(包括模拟前端设计及仿真,模拟后端设计及验证,芯片后仿真)

■ 电路及版图设计工具:Virtuoso (Cadence), 0.18um,0.35um等老工艺可以用L-edit.(这个不受限)

■ 版图物理验证工具:Calibre(Mentor),老工艺还能用Assura(Cadence),dracura(Cadence,更老,十几年前刚毕业那会儿用过)

■ 版图参数提取工具:Star-RC(synopsys), Calibre XRC(Mentor),QRC(Cadence)

■ 电路仿真工具:Hspice(Synopsys) ,Spectre(Cadence), ALPS(华大九天,中国)

2、数字及SOC类(数字前端,数字后端,验证,仿真)

■ RTL综合工具 :DC(Design compiler,Synopsys)

■ 仿真验证工具:VCS(Synopsys), ModelSim(Mentor),Incisive,Indago, MDV,VIP(Cadence)

■ 数字后端设计工具:ICC(Synopsys),Innovus/Encounter(Cadence) 还有180nm制程可用的老掉牙的Astro( synopsys).

■ DFT工具:DFT Compiler (Synopsys)

■ 物理验证工具:ICV(Synopsys)PVS(Cadence), Calibre(Mentor)

■ signoff 时序/噪声/功耗分析工具:Prime time, PT(synopsys),PrimeRail(Synopsys) , redhawk Fusion(Synopsys, 这套flow产品的核心redhawk是ansys的产品,ansys为s家战略合作),Totem(Ansys, 美国)

3、PCB:

■ Allegro(Cadence) :这个还好,不更新也没太大个问题。

这里再简单说下国内的EDA情况,反向提图抄袭软件其实是走在世界前列的,芯X景(据说还要上市圈钱),客户除了早就被拉黑的外,都不敢说用了他家产品,怕吃官司,这种不值得提倡,因为他们干的事早已超出了他们所宣称的只用于合理学习的底线;

正向设计里目前真正得到认可的只有华大九天(我为他们点个赞),但主要是模拟产品上,具体的说是模拟电路的仿真工具(ALPS),再细化下是电源类产品的仿真上,有他们的独到及NB之处,他们也有对标 virtuoso的兼容性产品Aether,但是得在成熟工艺下用。国内的EDA依然处于一个辅助角色状态,还有很长很长的路要走。

可以这么说,世界上所有的芯片设计公司,不管你是5nm还是350nm吧,无论你多NB,多逆天,肯定采用了这三家的至少一种软件,哪怕是盗版 。

三. 设计平台化产品闭环

Synopsys和Cadence一贯的发展战略是平台性发展,也就是说并不是某个环节的设计软件强,而是从前端设计-前仿真/验证-后端设计-后端验证仿真直到流片的整套产品都很强,并形成设计的闭环,比如synopsys的Milkyway, Cadence的OA(OpenAccess)。。粗略的说,模拟/数模混合芯片设计用cadence平台,数字芯片设计采用synopsys平台,当然实际并非如此绝对,有一定的交叉使用情况。。对于客户来讲,他们自然会倾向于平台化的EDA的采购,而不是分门别类的买,因为省事就意味着省钱啊,除非你的某项产品极其NB,比如Mentor的功能或物理验证产品,Ansys家的功耗分析软件,那确实厉害,尤其是物理验证C,S两家真干不过,已经是全球所有代工厂公认的金标准,也迫于垄断压力收不了,那只能战略合作。

四. 与工艺厂的捆绑(EDA联盟+IP联盟)

然后呢,EDA的垄断还体现在于工艺厂的捆绑上,工艺厂早期要进行工艺研发,势必也要进行器件,简单功能芯片的设计,要设计就得基于eda设计平台支持,这时候Synopsys, Cadence等EDA公司就来送温暖了,他们甚至会免费直接帮你设计多种基础IP, 各种规模的功能IP以扩充你的IP库,IP库越大越全,对客户的吸引力也就越大,win-win;在功能验证,物理验证环节,则有Mentor的一席之地,物理验证会贯穿并频繁往返于后端设计的全流程,对于软件的效率和可视化要求很高,这点calibre做得非常好。另外EDA供应商还会给学校客户优惠价甚至免费,其目的也很明显,培养用户习惯,除非学校也是光荣的上了美帝黑名单。

也就是:EDA 工具+IP授权的捆绑。

这样一整,进入投产阶段后,工艺厂发给客户的PDK设计包自然也只能支持 Synopsys, Cadence,Mentor的了,其他的EDA替代品,多在兼容性上做功,并且无法提供平台化产品,加上兼容和原生,在时效及使用上都有很大的差异。。一旦做强了还面临着Cadence,Synopsys的收购/绞杀威胁。还是那句话,人家提供的是平台,除非你能像Mentor那样提供整套验证平台也可。

五. 不得不提的IP

EDA说完了,再说说IP,IP对于今天SOC设计的重要性不用赘述了, Synopsys, Cadence的另一个杀手锏级的垄断产品:接口类IP,这是每一颗SOC必不可少的东西,比如:高速SerDes, ethernet以太网,PCIE, CPRI, SATA,USB,Type-C,MIPI, HDMI,DP…还有DDR; 如下图所示,Synopsys 的IP业务在总营收里占第二。

5Synopsys 2013~2018.jpg

Synopsys 2013~2018的产品及服务的营收占比

貌似从65nm开始吧,每一代工艺出来的早期基本只有Synopsys和Cadence两家可选,因为这两家是先进工艺研发的唯二工艺-产品的设计及验证平台,他们老早就进去了,至少是从设计PDK(芯片设计工具包)开始,产线开放后,陆续才会有其他IP供应商或自主研发的接口产品可用, 但到了14nm开始,除S,C两家外,很长时间基本只有rambus, aphawave,esilicon等公司的IP可用,rambus,esilicon是美国公司,alphawave是加拿大公司,加拿大你懂的,不过华为是他们的T1客户。。。但是7nm,5nm下,能做到所有类型的接口IP都提供的,还是只有Synopsys或Cadence。就在前天,Cadence发了款TSMC 7nm的超高速112G/56G 长距离SerDes,用于云数据中心和光网络芯片,5G基础设施的核心IP。SMIC14nm的10G多协议PHY IP也是他们独家的,5月14日发布的。

然后我来一张2019年半导体IP厂商TOP10榜单:

62019年半导体IP厂商TOP10榜单.jpg

榜单中前三个就不说了:

SST:得益于NVM接口的流行,直接从十名开外, 冲到了第三。(总部美国加州)

imagination(一家被中资背景的美国私募控制的英国公司。。??) ,其主要产品是GPU IP,国有化了,但这两年垮得很厉害;

Ceva(以色列) 主要是DSP;

Verisilicon(芯原,重点提一下,这家主要研发力量在中国,外面名气不大,但业内名气很大,很NB,作为研发力量主要在中国的公司,海外营收竟然占了70%+ ,不乏谷歌,Facebook、博世、亚马逊、英特尔、恩智浦,高通,华为这样的巨头客户。全球IP供应商排名里排第7,国家大基金和小米这两年都投了他们,昨天科创板上市已经过会了,是家中国公司。他们虽然技术储备不错,但体量偏小而且研发投入占比极大,所以财报不太好看,后面看资本注入后,有进一步扩张并做大的机会,看好他们厚积薄发。他们的重要布局是Globalfoudry(格罗方德)22nm, 三星28nm FDSOI产线的低功耗产品,据说是给刚建厂的中芯国际做标准单元库起家的,现在是三星和GF的IP联盟中的战略合作伙伴。

Achronix(美国), 主要是FPGA;

eMemory,看名字就知道memory。

六. 破局

下策:用盗版EDA。国内有公司这么干,省钱是一方面,主要还是因为上了黑名单,人家给钱也不卖,用盗版软件设计好,然后交给第三方代理公司处理,投片,然后交给厂家代工,但是这基本只能在0.18um甚至更高的制程的产品,65nm以下的产品基本上很难。(现在这种代理公司越来越少了,黑名单都快拉满了。)

我就不说这玩意儿不能破解了,我相信这世界上没有绝对无懈可击的防御体系,哪怕这几家的物理license manager体系设计几乎已经做到了世界最好。

主要原因还是我刚刚说的工艺厂和EDA利益绑定的问题,工艺厂的设计数据包(PDK),尤其是验证文件的更新非常频繁,尤其是新工艺,因为随着各种测试片,量产版的测试反馈,会不断的调整器件模型,设计规则,不断迭代,让良率达到最高,一个月一更的都见过,甚至是1.x版本直接升到2.x版,都不是0.0x这么微小迭代。这种幅度的更新让设计重来的都有。

几个顶级代工厂的工具基本都是用最新版本,所以放出来的更新PDK也是用最新版工具校验, 你老的工具很可能就得跟着更新,盗版根本来不及,也没什么人愿意干这种费力不讨好的事,所以能找到盗版的几乎都是老点的版本。除非是老工艺,比如台积电的0.18um,貌似七八年没更新了,因为已经完美了,就不存在过期这种问题。

比如说之前做28nm以下模拟设计,最早还能用virtuoso的ic6.16, 6.17,到后来成了ICADV122,直到现在只能用ICADV123, 验证就更快了,一年一代.比如这个Mentor 的Calibre,一年一个大更新,里边还有小更新,17年的是打不开19年的工具校验过的数据的,一个版本对应一批License(按个数卖)

常见硬件设计的7大EDA工具

EDA是电子设计自动化(Electronics Design AutomaTIon)的缩写,在20世纪60年代中期从计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助测试(CAT)和计算机辅助工程(CAE)的概念发展而来的。
20世纪90年代,国际上电子和计算机技术较为先进的国家,一直在积极探索新的电子电路设计方法,并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革,取得了巨大成功。在电子技术设计领域,可编程逻辑器件(如CPLD、FPGA)的应用,已得到广泛的普及,这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。

EDA工具的应用

EDA工具软件可大致可分为芯片设计辅助软件、可编程芯片辅助设计软件、系统设计辅助软件等三类。
目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件是系统设计辅助类软件和可编程芯片辅助设计软件:Protel、AlTIum Designer、、OrCAD、PCAD、LSIIogic、MicroSim、ISE、modelsim、Matlab等等。这些工具都有较强的功能,一般可用于几个方面,例如很多软件都可以进行电路设计与仿真,同时还可以进行PCB自动布局布线,可输出多种网表文件与第三方软件接口。
1.Protel
PROTEL是AlTIum公司在80年代末推出的EDA软件,在电子行业的CAD软件中,它当之无愧地排在众多EDA软件的前面,是电子设计者的首选软件,它较早就在国内开始使用,在国内的普及率也最高,有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它,几乎所有的电子公司都要用到它,许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。
2.Altium Designer
Altium Designer 是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统,主要运行在Windows操作系统。这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合,为设计者提供了全新的设计解决方案,使设计者可以轻松进行设计,熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。
3.Cadence
铿腾电子科技有限公司(Cadence Design Systems, Inc;NASDAQ:CDNS)是一个专门从事电子设计自动化(EDA)的软件公司。
Cadence Allegro系统互连平台能够跨集成电路、封装和PCB协同设计高性能互连。
4.Kicad
KiCad 是一个GPL的EDA(Electronic Design Automation – 电子设计自动化)软件包,可以当做protel的linux下的替代版本。
KiCad 包括一个工程管理器和四个主要程序:
kicad:工程管理器。
eeschema:原理图编辑器。
cvpcb:元件封装关联选择器。
pcbnew:PCB布线程序。
5.OrCAD
OrCAD 是一套在个人电脑的电子设计自动化套装软件,专门用来让电子工程师设计电路图及相关图表,设计印刷电路板所用的印刷图,及电路的模拟之用。
6.MATLAB
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境,主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中,为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案,并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言(如C、Fortran)的编辑模式,代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
7.EWB
EWB软件,全称为ELECTRONICS WORKBENCH EDA,是交互图像技术有限公司在九十年代初推出的EDA软件,用于模拟电路和数字电路的混合仿真,利用它可以直接从屏幕上看到各种电路的输出波形。EWB是一款小巧,但是仿真功能十分强大的软件。

 

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