第一章 EDA之我见

白话芯片EDA

傅勇

自从EDAHUB网站上线，娃爸娃妈们希望能进行一下科普。“芯片”“EDA”是当下网络上的热搜词汇，但 EDA 究竟是啥，还是有很多人不那么清楚，在给娃选专业时心里也有点不踏实。其实在我们身边也存在类似的尴尬情形，比如我们在和投资方介绍时，有些投资人不太了解EDA，这会影响投资人对EDA项目的专业判断，要么有过多的期待，要么过于失望。

在我决定离开工作了那么多年的EDA大企业、出来做EDA新项目时，得到了家人和朋友们的无限关怀。一个反复被提到的问题是：“EDA 到底是什么？”可以想象，给不是电子行业的兄弟姐妹们解释这个难度有多大。为了让更多的朋友们了解EDA究竟是什么，就有了此文。

EDA的概念和其覆盖范畴如此之大，以至于在EDA圈内摸爬滚打二三十年的人都会心存敬畏。此文不涉及太多的EDA细节，例如数字EDA流程、模拟EDA流程，也不涉及太具体的内容，如验证环节里面有哪几个关键步骤等。业内人士完全可跳过此文。但是如果您也像我们一样，希望周围的朋友们了解一下芯片，了解一下集成电路EDA在信息产业的分量，了解一下EDA是一件多么有意义的工作的话，欢迎阅读本文。

集成电路是什么？

集成电路还有一个常用名——芯片，英文名叫 Chip（图1），主要用硅材料制作，和薯片Chip（图2）是同一个英语单词。

集成电路这个词由两个关键词组成，一个是“电路”，这个好理解，大家都在用电，知道有电线、开关、插头，知道家里没电了可能是电路上有故障、熔丝断了等原因引起的。

另一个关键词是“集成”。但为什么要把“电路”进行“集成”呢？

早先的电路比较简单，拆开电子管或晶体管收音机，里面有电路板（图3）。

随着人们想做的事情越来越多，电路也变得越来越复杂。世界上第一台计算机如图4所示。

以我们今天的眼光看，这台1946年2月14日诞生在美国宾夕法尼亚大学的世界第一台计算机的计算能力实在是太太太小儿科。

而且，它很大！占一间大屋子！

它好费电！

它很不稳定！短路、零件损坏……

于是就有了小型化和“集成”的需求。最早出现的集成电路功能简单、腿少、集成度低（图5）。

慢慢地，为了实现更多的功能，于是集成度高了，腿也多了（图6）。

到今天，功能更复杂、集成度更高，没有腿了（图7）！

为什么没有腿了？以手机为例，它的核心就是一片或两片超大规模集成电路。它能做好多的事情，能玩游戏不卡、看视频不断、功能强大、集成度高，而且它要能连接几千万像素的双摄像头，能接高分辨率的大屏，还要接5G的天线，要接Wi-Fi，要接大的内存……所以需要很多和外界连接的功能。早期集成电路的外部连接就和我们平时见的插头类似，是有腿的，但是安装上腿是要占地方的。为了集成电路本身更高的集成度，也是为了电路板上的集成度，干脆就不要腿了。大家看到的上图中一个个发亮的点，是一个个的金属小球，集成电路在和电路板连接的时候，是直接压上去连接在一起的，这种封装方法的专业术语叫作BGA封装。

打开一块集成电路的外壳，就能看到一块硅片（图8），这就是核心的电路，像不像是从高空俯看一座城市？

把它放在显微镜下面，放大，放大，再放大（图9）。

看到各种线交织连接在一起，这些线显然比大家平时看到的电线细得多，线和线结合的地方有电路开关（专业术语叫作“门”）。所以，不管如何复杂，集成电路还是电路，有连线，有开关（门），只不过是把一个巨大的、完成很复杂功能的电路微小化，在一个指甲盖般大小的硅片上实现而已。

现在芯片的集成度已经这么高，是不是差不多到头了呢？经常听到的“摩尔定律”又是咋回事？那是 1965 年的某一天，戈登·摩尔——一位在仙童半导体公司工作的工程师，做了一个对后来的信息产业影响十分巨大的预测，并发表在《电子学》杂志上，后来被归纳为众所周知的摩尔定律，即芯片的集成度每隔18个月翻一倍。这个定律后来被演绎成多个版本，摩尔开玩笑地说：“摩尔定律已经被应用于任何呈现指数级增长的东西上面。”他因此很引以为傲。这位工程师后来是英特尔公司创始人之一。

现今大家常听到科技词汇，如大数据、云计算、人工智能等，这些都需要有更强大计算能力的芯片，并且追求更低成本，因此对芯片更高集成度的追求从没有停止过。

50多年前人类首次登月，伴随阿波罗11号登月的计算机里有处理器。今天，人人都用的手机里有处理器，其计算能力差不多是阿波罗登月舱里处理器计算能力的10万倍！

知道了集成电路是什么以及它的重要作用，下面我们还要了解：集成电路是怎么设计和制造出来的？

在进入这个问题前，我们就用城市规划建设做一个类比吧。

首先是立项，这是战略性思考，确定城市性质和发展方向。然后是规划，划分功能分区，综合安排交通、生活、院校等。接下来是设计，布置城市道路、交通运输系统、公用事业等工程规划，还要估算城建投资等。最后是建设施工。

集成电路的设计制造也基本上可简化为立项（计划）、规格定义（功能和规划）、设计、实现（施工）四个阶段。

立项通常是由决策层确定的，例如目前国内一些传统的手机系统商进入集成电路领域进行研发。

规格定义更多的是根据客户需求和市场变化制定芯片的参数规格，这一步非常重要。例如，当大家的手机都是高分辨率的时候，你的芯片仅计划支持低分辨率，为什么这样做？目标市场是哪里，或者给什么人群用？别人的手机都是8核玩游戏不卡，你做4核的手机性能上行不行？别人的手机用一整天电都用不完，你的呢？当然还要有价格的考虑，同样的情况下集成电路做得越小，成本上就可能越有优势（图10）。

设计阶段就是把芯片电路图设计出来的过程。如图10所示，集成电路设计是非常“以人为本”的一个行业，设计会花费大批工程师的大量时间，所以时间成本和资金成本都很高。设计过程一般可分成两个阶段，第一个阶段是功能实现和验证，一般用专用的集成电路设计语言进行，这种语言通常称为硬件描述语言。当功能、性能、耗电等都满足设计要求时，就进入第二阶段，需要为把这种语言描述的集成电路映射到硅片上进行各种准备，有点像是画一张包含城市里所有细节的工程图。

实现就是集成电路设计完成后，到工厂进行生产的过程。大家经常听到的晶圆厂、封装厂，就是生产的主要场所，就像施工建造一个城市，只不过是一个指甲盖大小的“城市”（图11）。

集成电路设计生产和城建有类似的地方，有什么不同的地方呢？

先回顾一个实例。1994年，英特尔发现其1993年出产的一款主力CPU产品存在缺陷，由于该问题属于芯片电路设计层面，无法通过其他方法进行修正，最终英特尔召回了近百万个有缺陷的芯片，这让英特尔付出相当大的代价。1995年1月发布的季报显示这次召回造成了4.75亿美元的损失。为了纪住这个惨痛教训，英特尔把回收来的一些芯片做成了钥匙链发给员工（图12）。

因此结论就是：城市建设可以边规划、边建设、边发展，芯片设计不行。

举例来说，芯片设计就是你要设计好一个城市的所有的细节，小区、医院、学校、商业、水、电、气、大路小道，还有各个路口的信号灯……一切都要设计进去，并在图纸阶段就要用各种手段证明可以运作正常，然后一次施工完成，不得返工。

因为集成电路试错的成本非常非常高！大企业钱包鼓鼓可能还好，但对于很多的中小企业，一颗芯片的成败就是他们的全部，只能成功，不能失败！

听上去是一个不可能完成的任务？因此，EDA是集成电路设计验证过程中必不可少的工具。

EDA的英文是Electronic Design Automation，中文翻译为电子设计自动化。EDA是芯片设计人员使用的软件工具，属于工业软件的范畴。

在集成电路的结构规划阶段：

● EDA 可以帮助架构师进行集成电路的结构分析，根据要求的功能、性能、功耗等，确定一些细化的参数。

● EDA 可以进一步基于数据帮助确定 IP 合作方（例如用 ARM 处理器还是RISC-V处理器）等。

在设计阶段：

● EDA帮助芯片设计师检查设计上的任何微小错误。

● EDA 帮助设计人员在集成电路还没有生产的时候，就能运行软件，例如测试手机性能的安兔兔跑分。

● EDA 可发现设计上对性能有影响的地方并提出优化建议，如同要解决城市里某些路段整天拥堵的问题。

● EDA 可以优化并尽量将集成电路缩小到更小的硅片上，这样生产出来的芯片在价格上才会更有优势。

● EDA 可以评估设计的耗电情况，改善并防止集成电路芯片的局部过热。耗电高可能造成用户的电子产品宕机，或者需要用户随身准备几个充电宝。

● EDA 可以辅助管理成百上千名设计人员的项目，为决策人员提供科学设计开发的依据。

在生产阶段：

● EDA 可以完成芯片测试，坏的芯片就不需要进行封装了，高性能的芯片可以挑出来卖更高的价格。

● EDA可以进行良率分析从而帮助提高产能、增加竞争优势。

● EDA让设计和生产集成电路从不可能变成可能。

EDA的全球销售收入规模不大，2019年不过102亿美元，而集成电路年产值高达4000多亿美元，没错，EDA就是“撬动地球的那个支点”，贯穿集成电路从规划、设计到生产的方方面面，没有 EDA 就没有当前集成电路和信息产业的发展，EDA是当之无愧的核心工业软件。

到这里，如果读者可以理解 EDA 是干什么的，为什么那么重要，本文的目的就达到了。

根据《中国集成电路产业人才白皮书（2018—2019年版）》，虽然2019年集成电路行业从业人员增长15.3%，但是到2021年前后集成电路全行业仍有26万人的缺口，特别是集成电路设计人才的缺口在10万人左右。集成电路专业已作为一级学科，从电子科学与技术一级学科中独立出来。正值升学季，给电子行业“安利”一下，欢迎有志同学报考集成电路相关专业，投入产业大潮中。同时作为 EDA 人，也希望在不久的将来看到更多的“后浪”活跃在中国的EDA舞台上。

作者简介：

傅勇，瞬曜EDA创始人兼CEO，超过二十五年的EDA业界经历，长期专注在数字集成电路的验证领域，也是亚洲地区硬件加速技术的先导者。1991年和1994年分别获得清华大学电子工程系学士和硕士学位。

公司介绍：

瞬曜电子科技（上海）有限公司（简称“瞬曜EDA”）致力于为全球用户提供下一代数字验证解决方案。公司主流产品聚焦在数字验证领域并实现先进技术的点状突破：瞬系列RTL高速仿真器（ShunSim），其仿真速度比传统仿真器高10～100倍，加上曜系列验证 IP（YaoVIP），形成了瞬曜特色的更易用、更高效的平台级芯片功能验证解决方案。此外，瞬曜 EDA 基于云原生技术，为广大用户提供逼近实战的云端仿真EDAHUB数字平台。基于此，全面赋能超大规模数字芯片的设计者，提供更快、更准的验证能力。联络方式：021-50862985/business@shunyaocad.com。

全面赋能超大规模数字芯片的设计者，提供更快、更准的验证能力。

关于EDAHUB

EDAHUB 提供强大的云上峰值算力支撑，是旨在推动数字电路验证先进方法学与应用实践相融合而构建的EDA云平台。

EDAHUB携手全球知名专家学者一起积极探索先进的IC设计验证方法，以期形成具有国际领先水平和竞争力的突破点；依托自身的技术经验，致力于开发完全安全可控和自主知识产权的集成电路验证工具，支持和其他 EDA 工具有机结合，从而形成功能完整的EDA平台。

与此同时，EDAHUB积极参与和培养IC设计的后备人才，免费提供无限逼近业界实战的验证环境，并以此带动IP/VIP 的积累和生态布局，推动国内SoC 设计和验证方法学的发展。