第一章 EDA之我見

白話芯片EDA

傅勇

自從EDAHUB網站上線，娃爸娃媽們希望能進行一下科普。“芯片”“EDA”是當下網絡上的熱搜詞匯，但 EDA 究竟是啥，還是有很多人不那么清楚，在給娃選專業時心里也有點不踏實。其實在我們身邊也存在類似的尷尬情形，比如我們在和投資方介紹時，有些投資人不太了解EDA，這會影響投資人對EDA項目的專業判斷，要么有過多的期待，要么過于失望。

在我決定離開工作了那么多年的EDA大企業、出來做EDA新項目時，得到了家人和朋友們的無限關懷。一個反復被提到的問題是：“EDA 到底是什么？”可以想象，給不是電子行業的兄弟姐妹們解釋這個難度有多大。為了讓更多的朋友們了解EDA究竟是什么，就有了此文。

EDA的概念和其覆蓋范疇如此之大，以至于在EDA圈內摸爬滾打二三十年的人都會心存敬畏。此文不涉及太多的EDA細節，例如數字EDA流程、模擬EDA流程，也不涉及太具體的內容，如驗證環節里面有哪幾個關鍵步驟等。業內人士完全可跳過此文。但是如果您也像我們一樣，希望周圍的朋友們了解一下芯片，了解一下集成電路EDA在信息產業的分量，了解一下EDA是一件多么有意義的工作的話，歡迎閱讀本文。

集成電路是什么？

集成電路還有一個常用名——芯片，英文名叫 Chip（圖1），主要用硅材料制作，和薯片Chip（圖2）是同一個英語單詞。

集成電路這個詞由兩個關鍵詞組成，一個是“電路”，這個好理解，大家都在用電，知道有電線、開關、插頭，知道家里沒電了可能是電路上有故障、熔絲斷了等原因引起的。

另一個關鍵詞是“集成”。但為什么要把“電路”進行“集成”呢？

早先的電路比較簡單，拆開電子管或晶體管收音機，里面有電路板（圖3）。

隨著人們想做的事情越來越多，電路也變得越來越復雜。世界上第一臺計算機如圖4所示。

以我們今天的眼光看，這臺1946年2月14日誕生在美國賓夕法尼亞大學的世界第一臺計算機的計算能力實在是太太太小兒科。

而且，它很大！占一間大屋子！

它好費電！

它很不穩定！短路、零件損壞……

于是就有了小型化和“集成”的需求。最早出現的集成電路功能簡單、腿少、集成度低（圖5）。

慢慢地，為了實現更多的功能，于是集成度高了，腿也多了（圖6）。

到今天，功能更復雜、集成度更高，沒有腿了（圖7）！

為什么沒有腿了？以手機為例，它的核心就是一片或兩片超大規模集成電路。它能做好多的事情，能玩游戲不卡、看視頻不斷、功能強大、集成度高，而且它要能連接幾千萬像素的雙攝像頭，能接高分辨率的大屏，還要接5G的天線，要接Wi-Fi，要接大的內存……所以需要很多和外界連接的功能。早期集成電路的外部連接就和我們平時見的插頭類似，是有腿的，但是安裝上腿是要占地方的。為了集成電路本身更高的集成度，也是為了電路板上的集成度，干脆就不要腿了。大家看到的上圖中一個個發亮的點，是一個個的金屬小球，集成電路在和電路板連接的時候，是直接壓上去連接在一起的，這種封裝方法的專業術語叫作BGA封裝。

打開一塊集成電路的外殼，就能看到一塊硅片（圖8），這就是核心的電路，像不像是從高空俯看一座城市？

把它放在顯微鏡下面，放大，放大，再放大（圖9）。

看到各種線交織連接在一起，這些線顯然比大家平時看到的電線細得多，線和線結合的地方有電路開關（專業術語叫作“門”）。所以，不管如何復雜，集成電路還是電路，有連線，有開關（門），只不過是把一個巨大的、完成很復雜功能的電路微小化，在一個指甲蓋般大小的硅片上實現而已。

現在芯片的集成度已經這么高，是不是差不多到頭了呢？經常聽到的“摩爾定律”又是咋回事？那是 1965 年的某一天，戈登·摩爾——一位在仙童半導體公司工作的工程師，做了一個對后來的信息產業影響十分巨大的預測，并發表在《電子學》雜志上，后來被歸納為眾所周知的摩爾定律，即芯片的集成度每隔18個月翻一倍。這個定律后來被演繹成多個版本，摩爾開玩笑地說：“摩爾定律已經被應用于任何呈現指數級增長的東西上面。”他因此很引以為傲。這位工程師后來是英特爾公司創始人之一。

現今大家常聽到科技詞匯，如大數據、云計算、人工智能等，這些都需要有更強大計算能力的芯片，并且追求更低成本，因此對芯片更高集成度的追求從沒有停止過。

50多年前人類首次登月，伴隨阿波羅11號登月的計算機里有處理器。今天，人人都用的手機里有處理器，其計算能力差不多是阿波羅登月艙里處理器計算能力的10萬倍！

知道了集成電路是什么以及它的重要作用，下面我們還要了解：集成電路是怎么設計和制造出來的？

在進入這個問題前，我們就用城市規劃建設做一個類比吧。

首先是立項，這是戰略性思考，確定城市性質和發展方向。然后是規劃，劃分功能分區，綜合安排交通、生活、院校等。接下來是設計，布置城市道路、交通運輸系統、公用事業等工程規劃，還要估算城建投資等。最后是建設施工。

集成電路的設計制造也基本上可簡化為立項（計劃）、規格定義（功能和規劃）、設計、實現（施工）四個階段。

立項通常是由決策層確定的，例如目前國內一些傳統的手機系統商進入集成電路領域進行研發。

規格定義更多的是根據客戶需求和市場變化制定芯片的參數規格，這一步非常重要。例如，當大家的手機都是高分辨率的時候，你的芯片僅計劃支持低分辨率，為什么這樣做？目標市場是哪里，或者給什么人群用？別人的手機都是8核玩游戲不卡，你做4核的手機性能上行不行？別人的手機用一整天電都用不完，你的呢？當然還要有價格的考慮，同樣的情況下集成電路做得越小，成本上就可能越有優勢（圖10）。

設計階段就是把芯片電路圖設計出來的過程。如圖10所示，集成電路設計是非常“以人為本”的一個行業，設計會花費大批工程師的大量時間，所以時間成本和資金成本都很高。設計過程一般可分成兩個階段，第一個階段是功能實現和驗證，一般用專用的集成電路設計語言進行，這種語言通常稱為硬件描述語言。當功能、性能、耗電等都滿足設計要求時，就進入第二階段，需要為把這種語言描述的集成電路映射到硅片上進行各種準備，有點像是畫一張包含城市里所有細節的工程圖。

實現就是集成電路設計完成后，到工廠進行生產的過程。大家經常聽到的晶圓廠、封裝廠，就是生產的主要場所，就像施工建造一個城市，只不過是一個指甲蓋大小的“城市”（圖11）。

集成電路設計生產和城建有類似的地方，有什么不同的地方呢？

先回顧一個實例。1994年，英特爾發現其1993年出產的一款主力CPU產品存在缺陷，由于該問題屬于芯片電路設計層面，無法通過其他方法進行修正，最終英特爾召回了近百萬個有缺陷的芯片，這讓英特爾付出相當大的代價。1995年1月發布的季報顯示這次召回造成了4.75億美元的損失。為了紀住這個慘痛教訓，英特爾把回收來的一些芯片做成了鑰匙鏈發給員工（圖12）。

因此結論就是：城市建設可以邊規劃、邊建設、邊發展，芯片設計不行。

舉例來說，芯片設計就是你要設計好一個城市的所有的細節，小區、醫院、學校、商業、水、電、氣、大路小道，還有各個路口的信號燈……一切都要設計進去，并在圖紙階段就要用各種手段證明可以運作正常，然后一次施工完成，不得返工。

因為集成電路試錯的成本非常非常高！大企業錢包鼓鼓可能還好，但對于很多的中小企業，一顆芯片的成敗就是他們的全部，只能成功，不能失敗！

聽上去是一個不可能完成的任務？因此，EDA是集成電路設計驗證過程中必不可少的工具。

EDA的英文是Electronic Design Automation，中文翻譯為電子設計自動化。EDA是芯片設計人員使用的軟件工具，屬于工業軟件的范疇。

在集成電路的結構規劃階段：

● EDA 可以幫助架構師進行集成電路的結構分析，根據要求的功能、性能、功耗等，確定一些細化的參數。

● EDA 可以進一步基于數據幫助確定 IP 合作方（例如用 ARM 處理器還是RISC-V處理器）等。

在設計階段：

● EDA幫助芯片設計師檢查設計上的任何微小錯誤。

● EDA 幫助設計人員在集成電路還沒有生產的時候，就能運行軟件，例如測試手機性能的安兔兔跑分。

● EDA 可發現設計上對性能有影響的地方并提出優化建議，如同要解決城市里某些路段整天擁堵的問題。

● EDA 可以優化并盡量將集成電路縮小到更小的硅片上，這樣生產出來的芯片在價格上才會更有優勢。

● EDA 可以評估設計的耗電情況，改善并防止集成電路芯片的局部過熱。耗電高可能造成用戶的電子產品宕機，或者需要用戶隨身準備幾個充電寶。

● EDA 可以輔助管理成百上千名設計人員的項目，為決策人員提供科學設計開發的依據。

在生產階段：

● EDA 可以完成芯片測試，壞的芯片就不需要進行封裝了，高性能的芯片可以挑出來賣更高的價格。

● EDA可以進行良率分析從而幫助提高產能、增加競爭優勢。

● EDA讓設計和生產集成電路從不可能變成可能。

EDA的全球銷售收入規模不大，2019年不過102億美元，而集成電路年產值高達4000多億美元，沒錯，EDA就是“撬動地球的那個支點”，貫穿集成電路從規劃、設計到生產的方方面面，沒有 EDA 就沒有當前集成電路和信息產業的發展，EDA是當之無愧的核心工業軟件。

到這里，如果讀者可以理解 EDA 是干什么的，為什么那么重要，本文的目的就達到了。

根據《中國集成電路產業人才白皮書（2018—2019年版）》，雖然2019年集成電路行業從業人員增長15.3%，但是到2021年前后集成電路全行業仍有26萬人的缺口，特別是集成電路設計人才的缺口在10萬人左右。集成電路專業已作為一級學科，從電子科學與技術一級學科中獨立出來。正值升學季，給電子行業“安利”一下，歡迎有志同學報考集成電路相關專業，投入產業大潮中。同時作為 EDA 人，也希望在不久的將來看到更多的“后浪”活躍在中國的EDA舞臺上。

作者簡介：

傅勇，瞬曜EDA創始人兼CEO，超過二十五年的EDA業界經歷，長期專注在數字集成電路的驗證領域，也是亞洲地區硬件加速技術的先導者。1991年和1994年分別獲得清華大學電子工程系學士和碩士學位。

公司介紹：

瞬曜電子科技（上海）有限公司（簡稱“瞬曜EDA”）致力于為全球用戶提供下一代數字驗證解決方案。公司主流產品聚焦在數字驗證領域并實現先進技術的點狀突破：瞬系列RTL高速仿真器（ShunSim），其仿真速度比傳統仿真器高10～100倍，加上曜系列驗證 IP（YaoVIP），形成了瞬曜特色的更易用、更高效的平臺級芯片功能驗證解決方案。此外，瞬曜 EDA 基于云原生技術，為廣大用戶提供逼近實戰的云端仿真EDAHUB數字平臺。基于此，全面賦能超大規模數字芯片的設計者，提供更快、更準的驗證能力。聯絡方式：021-50862985/business@shunyaocad.com。

全面賦能超大規模數字芯片的設計者，提供更快、更準的驗證能力。

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