什么是电子设计自动化 (EDA)? – 工作原理 | 新思科技
目录

定义

电子设计自动化 (EDA) 是一个集合软件、硬件和服务在内的领域。所有这些产品与服务的共同目标,旨在协助半导体器件或芯片的定义、规划、设计、实施、验证和后续制造。就这些器件的制造而言,此服务的主要提供商是半导体晶圆厂。这些高度复杂且成本高昂的设施,由大型垂直一体化半导体公司拥有和运营,或由独立的“纯”制造服务提供商运营,而后者已成为占主导地位的商业模式。

~ai-63ddc410-a32d-4670-99bb-84739232deb1_

虽然 EDA 解决方案不直接涉及芯片制造,但它们在三个方面发挥着关键作用。

首先,EDA 工具用于设计和验证半导体制造流程,以确保半导体产品具有所需的性能和密度。EDA 的这一部分技术被称为技术计算机辅助设计 (TCAD)

其次,EDA 工具复杂验证设计是否满足产品制造流程的所有要求,即是否具有良好的可制造性。在此环节中的缺陷可能导致芯片无法正常工作或者容量降低。另外,还会带来可靠性方面的潜在风险。这一重要技术称为面向制造的设计 (DFM)。

第三个方面相对较新。在芯片制造完成后,从制造后测试到现场部署过程中,人们对器件性能进行监控的要求越来越强烈。监控的主要目的在于确保器件在使用寿命期间持续按预期运行,并确保器件不被篡改。这一方面的应用称为硅生命周期管理 (SLM)

与 EDA 密切相关的另一个细分市场是半导体知识产权,也称为半导体 IP。此细分市场提供了不同复杂度的预设计电路。该电路可原样使用或根据特定应用予以调整。由于许多现有设计成果可以重复使用,因而半导体 IP 可在更短的时间内设计出极其复杂的芯片。鉴于 IP 核的使用和重复使用都依赖于 EDA 工具,所以人们通常将两者视为一个市场。


EDA 的工作原理是什么?

电子设计自动化主要是一项软件业务。极为精密和复杂的软件程序主要以下列三种方式之一运行,以协助芯片的设计和制造:

  • 仿真工具对所提出的电路进行描述,并在实现之前预测其行为。
  • 设计工具对所提出的电路功能进行描述,并组装一系列用于实现该功能的电路元件。这既是一个逻辑过程(组装和连接电路元件),也是一个物理过程(创建各种将在制造期间实施电路的互连几何形状)。所交付的这些工具结合了全自动化和交互式引导功能。
  • 验证工具检查芯片的逻辑或物理表示,以确定最终设计是否正确连接,并提供所需的性能。

虽然大多数 EDA 产品作为软件交付,但在某些情况下,物理硬件也用于交付各项功能。通常,在需要极高性能时会使用硬件。在仿真和验证期间必须处理大量数据时,会出现这种情况。在所有情况下,电路的专用硬件模型,其运行速度会比执行相同模型的软件程序快得多。在合理的时间内(数小时到数天,而不是数周到数月)完成各种任务,通常需要在速度方面有大幅提高。EDA 硬件的两个主要交付工具是仿真和快速原型设计。


EDA 工具的类型

仿真

仿真工具对所提出的电路进行描述,并在实现电路之前预测其行为。

此描述通常以标准硬件描述语言呈现,例如 Verilog 或 VHDL。仿真工具以不同的详细程度对电路元件的行为进行建模,并执行各种操作,以预测电路的最终行为。所需的详细程度取决于所设计电路的类型和其预期用途。如果必须处理非常庞大的输入数据,则使用仿真或快速原型设计等硬件方法。当必须根据现实场景(例如视频处理)运行处理器的操作系统时,就会出现这些情况。如果没有硬件辅助方法,这些情况下的运行时间就无法得到满足。

设计

设计工具对所提出的电路功能进行描述,并组装一系列用于实现该功能的电路元件。此组装过程可以是逻辑过程,在该过程中选择和互连正确的电路元件,以实现所需功能。逻辑综合是此过程的一个示例。该过程还可以是物理过程,将各种用于实现芯片电路的几何形状进行组装、布局和布线,该过程被广泛地称为布局布线。还可以在设计师的指导下,采用交互方式完成这一过程,这称为自定义布局。

验证

验证工具检查芯片的逻辑或物理表示,以确定最终设计是否正确连接并会提供所需的性能。这里可以使用许多流程。物理验证检查互连的几何形状,以确保其布局符合晶圆厂的制造要求。这些要求已变得非常复杂,所包含的规则远远超过 10,000 多条。还可以采取将实现的电路与原始描述进行比较的验证方式,以确保其如实地反映所需的功能。布局和原理图对比 (LVS)是此过程的一个示例。芯片的功能验证还可以使用仿真技术,来将实际行为与预期行为进行对比。这些方法受到所提供的输入激励完整性的限制。而另一种方法是在不需要输入激励的情况下,通过算法来验证电路的行为。这种方法称为等价性检查,是“形式验证”学科的一部分。


EDA 的历史

EDA 起初是一种专属的性能。在 EDA 发展成为一个细分市场之前,大型垂直一体化 OEM 拥有专属芯片设计和制造能力。这些企业聘请了大型软件工程师团队来开发所需的工具,以自动化执行所需制造芯片的设计、实现和验证。在此大环境下,所有芯片生产,OEM 在自己的产品生产中都有运用。Bell Laboratories、Texas Instruments、Intel、RCA、General Electric(通用电气)、Sony(索尼) 和 Sharp(夏普) 都是此类公司。

商业 EDA 工具的真正诞生基本上分三个阶段进行:

  • 第一阶段始于 20 世纪 60 年代,见证了计算机辅助交互式图形设计系统在商业上的应用。这些系统针对制图、机械和建筑设计等多个市场。这些系统还可用于集成电路布局的交互式设计。该阶段主要由三家公司主导,分别是 Applicon、Calma 和Computervision。有趣的是,在早期,Calma 开发了一种格式来表示名为 GDS 的 IC 布局(以其产品 Graphic Design System 命名)。此格式的 GDS II 版本成为事实上的格式,数十年来一直传达着 IC 布局信息。此行业的这一阶段称为 CAD/CAM(计算机辅助设计/计算机辅助制造)。
  • EDA 的第二阶段始于 20 世纪 80 年代早期。在此期间发生了一个非常重要的事件,商业专用集成电路 (ASIC) 行业诞生。随着 ASIC 行业的出现,对于许多设计团队而言,现在可以接触到以前为大型系统 OEM 预留的定制芯片。这一场半导体革命一直持续至今。早期 ASIC 公司包括 LSI Logic 和 VLSI Technology。随着这个新市场的出现,对芯片仿真、设计和验证的自动化工具的需求也日益旺盛。这一发展趋势催生了许多新公司来满足此需求。大型原始设备制造商 (OEM) 的众多内部专属团队在这个新市场中,发现了令人振奋和利润丰厚的新工作,因此商业 EDA 行业开始发展壮大。在此阶段,主要关注软件和一些专用硬件,以捕获设计描述并对其进行仿真。这一阶段由三家主要公司主导,分别是 Daisy Systems、Mentor Graphics 和 Valid Logic。该阶段称为 CAE(计算机辅助工程)。
  • 在 20 世纪 80 年代的后期,EDA 行业随着其第三阶段的开始而逐渐成熟。供应多款软件和硬件产品的一体化供应商,旨在实现更高程度的 IC 设计流程自动化,逐渐取代了只提供单一产品的公司。这一阶段由三家主要公司主导,分别是新思科技、Cadence 和 Mentor(现在是 Siemens EDA)。这一阶段见证了 EDA(电子设计自动化)这一词语的诞生。如今,许多人仍然对这一行业阶段深有感触。三大龙头公司至今仍保持着各自的地位。

随着半导体技术的急剧发展,人们需要一个更大的工具和技术平台,这可能标志着此行业的下一个发展阶段。


为什么 EDA 很重要?

半导体芯片非常复杂——当下先进的半导体器件可以包含超过 10 亿个电路元件。所有这些元件可以以微妙的方式彼此相互作用,并且制造工艺的变化可能引入更微妙的相互作用和行为变化。

如果没有复杂的自动化,就无法管理这种复杂程度,而 EDA 提供了这一关键技术。如果没有 EDA,就不可能设计和制造当今的半导体器件。

还有一点值得注意,在制造出来的芯片中,误差可能会导致在成本上出现灾难性的损失。芯片错误无法“修补”,所以整个芯片必须重新设计并重新制造。这一过程太过耗时且成本过于高昂,会导致整个项目失败。鉴于设计芯片的复杂性极高,因此需要完美地进行设计。

如果没有 EDA 工具,就无法应对这些挑战。


EDA 和新思科技

新思科技是行业内出于领先地位的 EDA 技术提供商。

公司提供广泛的解决方案,以解决先进芯片的设计和验证。仿真、设计和验证要求通过完全一体化的平台予以满足,包括:

半导体 IP 也是 EDA 细分市场的一部分。新思科技提供业内领先广泛的 IP 产品组合

EDA(电子设计自动化)图 | 新思科技

芯片设计现已成为系统设计。这些器件的复杂性构成了包括大量软件在内的完整系统。为了应对这一广义 EDA,新思科技还提供世界一流的产品,以解决安全、高质量和高合规性软件的开发问题

继续阅读

解决方案
万物智能解决方案

先进硅芯片可为我们每天依赖的非凡软件提供强力支持。

博客
EDA 工具和 IP 如何协助达成汽车功能安全合规性
解决方案
芯片生命周期管理平台
博客
2021 年芯片设计关键功耗预测
博客
新思科技的新平台提供贯穿整个硅生命周期的深入见解
文章
尽管芯片短缺,芯片创新却如火如荼

电子设计自动化 (EDA) - 常见问题 (FAQ)
文章标题