概述

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）工具是集成電路（IC）工作流程的基礎(chǔ)，涵蓋設(shè)計(jì)、制造、封裝和測試。作為芯片設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的軟件骨干，EDA工具在將器件概念轉(zhuǎn)化為可制造的硅片中發(fā)揮著核心作用。本文回顧了EDA技術(shù)，總結(jié)了主要的國際和中國廠商，并整理了支持芯片開發(fā)和制造各階段的關(guān)鍵EDA工具類別。

什么是EDA

EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）指的是一系列用于輔助大型集成電路全生命周期的計(jì)算機(jī)軟件工具，包括功能設(shè)計(jì)、綜合、驗(yàn)證、制造、封裝和測試。EDA屬于支持產(chǎn)品研發(fā)、工藝規(guī)劃、制造、市場營銷、采購、運(yùn)營和服務(wù)的工業(yè)軟件類別。EDA與CAD、CAE、CAM和PLM并列為工業(yè)軟件中的研發(fā)數(shù)字化軟件。

狹義上，EDA通常指芯片設(shè)計(jì)過程中所需的工具。EDA廣義上涵蓋設(shè)計(jì)、制造及包裝/測試階段所需的軟件工具。這些工具包括系統(tǒng)級設(shè)計(jì)與仿真、電路設(shè)計(jì)與仿真、印刷電路板設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、集成電路布局設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、數(shù)字邏輯與模擬電路設(shè)計(jì)、混合信號設(shè)計(jì)、SoC設(shè)計(jì)、PLD設(shè)計(jì)、ASIC設(shè)計(jì)等。從晶體管級器件到完整的電子系統(tǒng)，如GPU、無線電、消費(fèi)電子、手機(jī)、計(jì)算機(jī)和汽車電子設(shè)備，EDA工具貫穿設(shè)計(jì)、仿真和驗(yàn)證各個(gè)環(huán)節(jié)。

為便于理解，本文將電路設(shè)計(jì)與仿真工具、芯片設(shè)計(jì)與制造工具以及PCB設(shè)計(jì)工具歸入EDA范疇。隨著大規(guī)模集成、計(jì)算和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的進(jìn)步，EDA技術(shù)迅速發(fā)展并擴(kuò)展到許多應(yīng)用領(lǐng)域。

主要EDA供應(yīng)商

全球EDA是一個(gè)高度集中的市場。Synopsys、Cadence、西門子EDA和Ansys常被視為領(lǐng)先廠商，共同占據(jù)了全球市場的重要份額。他們的主導(dǎo)地位在于提供涵蓋前端設(shè)計(jì)、后端設(shè)計(jì)、仿真/驗(yàn)證和簽核的廣泛端到端工具集，形成封閉設(shè)計(jì)流程。其他國際廠商包括Silvaco、Keysight、Altium和Zuken，各自專注于特定子域名。

Synopsys

Synopsys 提供全面的芯片設(shè)計(jì)和驗(yàn)證產(chǎn)品線。其主要優(yōu)勢包括數(shù)字設(shè)計(jì)、邏輯綜合以及時(shí)序分析工具，如Design Compiler、PrimeTime和IC Validator，用于物理驗(yàn)證。

節(jié)奏

Cadence在整個(gè)電子設(shè)計(jì)流程中提供工具，包括系統(tǒng)級設(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證、電路綜合、布線與布線、物理驗(yàn)證、模擬/混合信號和射頻設(shè)計(jì)、全定制設(shè)計(jì)，以及硬件建模和仿真。Cadence在模擬和混合信號設(shè)計(jì)工具方面表現(xiàn)強(qiáng)勁。

西門子EDA

西門子EDA前身為Mentor Graphics，提供全面的軟硬件設(shè)計(jì)解決方案，在后端布局和PCB設(shè)計(jì)工具（如PowerPCB和Expedition）方面占有優(yōu)勢。

安西斯

收購Ansoft后，Ansys擴(kuò)展至EDA，帶來了射頻和高頻仿真能力。Ansys專注于簽約和仿真，采用RedHawk等工具進(jìn)行功耗感知設(shè)計(jì)和電力傳輸網(wǎng)絡(luò)分析。

西爾瓦科

Silvaco提供TCAD工藝與器件仿真、SPICE參數(shù)提取、電路仿真以及全定制集成電路設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工具，專注于模擬和混合信號設(shè)計(jì)。其Victory TCAD設(shè)備建模工具獲得行業(yè)認(rèn)可。

瞄準(zhǔn)器

Keysight 是電子與光學(xué)測試測量領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，提供集成器件建模、電路設(shè)計(jì)、電磁仿真、布局和系統(tǒng)級建模的 EDA 工具，尤其適用于通信產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

阿爾提姆

Altium 開發(fā)基于 PC 的 PCB 設(shè)計(jì)軟件，提供原理圖繪制、自動(dòng)布線和 PCB 元件布局工具。其早期的Protel工具被廣泛用于快速的PCB設(shè)計(jì)流程。

祖拳

Zuken專注于PCB、MCM、混合式和集成電路封裝設(shè)計(jì)軟件及相關(guān)支持服務(wù)，重點(diǎn)涵蓋PCB、線束和芯片封裝領(lǐng)域。

來源：CIMdata

EDA工具類別及其適用范圍

EDA工具的進(jìn)步有助于控制芯片設(shè)計(jì)成本，加快設(shè)計(jì)周期。完整的芯片設(shè)計(jì)和制造流程可分為工藝平臺開發(fā)、芯片設(shè)計(jì)和芯片制造。代工廠通常主導(dǎo)工藝平臺開發(fā)，生產(chǎn)器件模型和分發(fā)套件，如設(shè)計(jì)者PDK。芯片設(shè)計(jì)廠利用這些PDK和庫實(shí)現(xiàn)電路、驗(yàn)證功能并進(jìn)行物理實(shí)現(xiàn)。代工廠隨后根據(jù)最終設(shè)計(jì)文件制造芯片。每個(gè)階段都需要特定的EDA工具，這些工具可分為設(shè)計(jì)類和制造類EDA軟件。

設(shè)計(jì)級EDA

由于設(shè)計(jì)方法、流程和驗(yàn)證要求的不同，設(shè)計(jì)類EDA通常分為數(shù)字和模擬工具集。

數(shù)字芯片設(shè)計(jì)工具

數(shù)字工具涵蓋架構(gòu)設(shè)計(jì)、RTL編碼、仿真與驗(yàn)證、邏輯綜合、靜態(tài)時(shí)序分析（STA）以及物理驗(yàn)證。架構(gòu)工具以高度抽象為基礎(chǔ)，包括原理圖/行為編輯器和系統(tǒng)級模擬器。代表性工具包括Cadence Virtuoso、西門子EDA Tanner S-Edit、Synopsys定制編譯器、Huada Empyrean Aether SE和Vermeer NavisPro。

RTL 編碼以硬件描述語言表達(dá)，如 Verilog、VHDL 或 SystemVerilog。仿真和驗(yàn)證工具驗(yàn)證RTL行為;例如Cadence Xcelium和Spectre系列、西門子ModelSim、Synopsys VCS，以及中國廠商的廠商專用模擬器。邏輯綜合將RTL轉(zhuǎn)換為門級網(wǎng)表;常用工具包括Cadence Genus、西門子Precision RTL、Synopsys設(shè)計(jì)編譯器和Fusion編譯器，以及Synplify。STA工具包括Cadence Tempus、西門子Velocity、Synopsys PrimeTime，以及國內(nèi)產(chǎn)品如ICExplorer-XTime和TRASTA。物理驗(yàn)證和簽核工具包括Cadence Pegasus、西門子Calibre、Synopsys IC Validator、Ansys RedHawk、Huada Empyrean Skipper等。

模擬與混合信號設(shè)計(jì)工具

模擬設(shè)計(jì)通常自動(dòng)化程度較低，使用圖形原理圖而非HDL。工具支持電路設(shè)計(jì)、仿真、布局、寄生提取和物理驗(yàn)證。典型工具包括Cadence Virtuoso、西門子坦納、Synopsys Custom Compiler和Laker、Zuken CR-8000、Huada Empyrean Aether、Vermeer NanoDesigner、Glorious Micro SmtCell和九通方eSchema。仿真工具包括Cadence Spectre、Synopsys HSPICE、西門子ELDO，以及家用模擬器如ALPS和NanoSpice變體。布局工具解決了DRC和LVS檢查，并與鑄造廠特定規(guī)則集成。寄生提取工具包括Cadence QRC、西門子Calibre XRC、Synopsys Star-RC、Silvaco提取工具、Huada Empyrean RCExplorer以及GloryIC的GloryEX。物理驗(yàn)證工具包括Cadence Dracula和PVS、西門子Calibre、Synopsys Hercules及家用等效產(chǎn)品。

制造級EDA

制造類EDA涵蓋單元庫、器件建模、PDK開發(fā)、計(jì)算光刻、良率分析和封裝建模。

標(biāo)準(zhǔn)單元庫工具包括Cadence Liberate、西門子Solido、Synopsys SiliconSmart，以及家用工具如Huada Empyrean Liberal/Qualib和Vermeer NanoCell/LibWiz。晶圓廠使用的器件建模工具包括Silvaco Victory TCAD、Keysight MBP/IC-CAP、Huada Empyrean XModel、Vermeer BSIMProPlus及相關(guān)套件，以及九通方ePCD。PDK 生成和質(zhì)量保證工具包括 Huada Empyrean PDK 構(gòu)建與質(zhì)量保證、Vermeer PCellLab 和 PQLab，以及 Xinpact iModeler/iVerifier。

計(jì)算光刻技術(shù)包括OPC、源掩膜優(yōu)化、多重圖案化和逆光刻解法。主要工具包括西門子Calibre、Synopsys Proteus和Synthesis，以及本地光學(xué)公司等國內(nèi)OPC解決方案。Cadence、西門子、Synopsys及中國供應(yīng)商提供屈服率和金屬填充解決方案的良率分析和填充工具。封裝和封裝級建模工具包括西門子Xpedition Package Designer、Altium Designer、Zuken CR-8000、Vermeer PadInspector和Xinpact Metis/Hermes。

EDA工具在PCB層面同樣至關(guān)重要。PCB EDA 工具包括 Cadence OrCAD 和 Allegro 系列、西門子 PowerPCB 和 Expedition、Altium Designer、Zuken CR-8000 Design Force、JLC EDA、Wangyou DFM Expert、EasyEDA 以及本地廠商的板級 DFM 工具。

在許多點(diǎn)工具領(lǐng)域，中國廠商取得了突破，并建立了競爭優(yōu)勢。中國的廠商正在推進(jìn)多點(diǎn)布局，逐步構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)。然而，與國際EDA巨頭相比，中國廠商在系統(tǒng)級完整性和先進(jìn)技術(shù)方面仍面臨不足。盡管國內(nèi)解決方案在器件建模和PDK方面取得了顯著進(jìn)展，但一個(gè)完全集成的端到端工具鏈仍在進(jìn)行中。