IC设计流程之工具篇——EDA软件

1947年Bell Lab制造出第一款晶体管，1958年德州仪器的Jack Kilby用2个晶体管构造了世界上第一款集成电路，这是集成电路IC的雏形与开端。2003年英特尔公司生产的Pentium4处理器已包含5500万晶体管，一个512M的DRAM包含5亿晶体管。IC芯片中晶体管数目的激增满足所谓的“摩尔定律”，也就是每隔1.5年芯片上的晶体管数目翻一番。在历史上没有一个产业能保持这种增长速度如此久。推动IC产业迅猛发展的因素主要有两个，一个是材料微细加工与制造技术的发展，另一个是EDA工具的大力支持。前者使IC能产能规模化，后者使设计流程自动化，从而加快产品生产率，迅速成为一个堪比汽车产业的巨大产业群。
    EDA（Electronic Design Automation），即电子设计自动化，它是一种实现电子系统设计自动化的技术，是一个多学科的技术，与电子技术、微电子技术、硅加工技术等密切相关，同时它还吸收了计算机领域的大多数研究成果，以计算机软件作为实现工具，利用计算机图形学、数值计算技术、以及人工智能等多种学科的研究成果而开发出来的一整套电子设计CAD通用软件工具，来帮助电子设计工程师从事电子组件产品和系统设计的综合技术。EDA技术的出现，从某种程度上极大地解放了电子设计者的手工劳动，若没有EDA技术的支持，要完成像一款哪怕是64M DRAM都是不可想象的。
    EDA技术是伴随着计算机、集成电路、电子系统的发展而发展起来的，一般可以分为CAD阶段、CAE阶段和成熟EDA阶段。
1. CAD阶段
20实际70年代，随着中小规模的集成电路的开发应用，用手工绘制版图设计印刷电路板的方法已经无法满足设计精度和效率的要求，于是基于二维平面图形的计算机辅助设计工具出现了，它就是第一代的EDA工具，这是EDA的初级阶段，技术要点在与利用计算机辅助技术进行电路原理图编制、PCB布局布线等。
2. CAE阶段
20世纪80年代，为适应电子产品在规模上和集成度上的需要，出现了以计算机仿真和自动布局布线为核心的第二代EDA技术，即CAE（Computer Aided Engineering），计算机辅助工程设计阶段。这一阶段的主要特征是以模拟电子系统的逻辑、时序分析、故障仿真、自动布局布线为核心。主要的代表产品有Synopsys公司的Design Compiler、Astro，Avanti的Star-HSPICE等。这些工具的出现，能在产品制造之前就能预测产品的功能和性能，可以设计出功能满足规格要求，又能获得最高性能的产品，并且还能实现自动布局布线，生成版图，大大地提高了生产率和降低出错率，有利于IC产业的大规模产品化。
3. 成熟EDA阶段
自从20世纪90年代以来，EDA的发展集中到加强自动化和智能化方向，同时致力于设计语言和高层设计理念上实现统一。EDA技术继续发展，进入了支持高层语言描述、可进行系统级仿真和综合技术为特征的第三代EDA技术。这一阶段采用一种新的设计概念自顶而下(Top - Down)的设计程式和并行工程(Concurrent Engineering)的设计方法，设计者的精力主要集中在所要电子产品的准确定义上，EDA系统去完成电子产品的系统级至物理级的设计。极大地提高了系统设计的效率，使广大的电子设计师开始实现“概念驱动工程”的梦想。设计师们摆脱了大量的辅助设计工作，而把精力集中于创造性的方案与概念构思上，从而极大地提高了设计效率，使设计更复杂的电路和系统成为可能，产品的研制周期大大缩短。
    EDA的发展趋势与展望
IC芯片的复杂程度和集成度与日俱增，IC设计对EDA的要求与依赖也是越来越高。IC芯片从传统的单一功能的芯片（存储器、逻辑、RF、I/O）发展到数字模拟混合电路，SOC，3DIC，IP复用，多功能集成系统等复杂系统芯片，而目前EDA的产品与设计流程都需要做相应的增强和调整。目前可以看到的一些比较重大的EDA发展趋势为：软硬件协同验证（co-verification）与软硬件协同虚拟设计平台的出现，前者将一个庞大的逻辑设计分成许多小的逻辑块，然后交给CPU或高速的FPGA做逻辑验证，这样可以极大地提高逻辑验证的速度，目前，Synopsys的HAPS系列产品就是这类产品。后者是针对SOC或嵌入式系统等复杂的电子系统设计，这类设计中集中了多种逻辑功能块，IP复用块，以及底层固件等部件，采用这一系统可以让硬件和软件设计工程师一起协同工作，加快了系统开发和验证的周期。

另外，设计的规模日益增长也对EDA工具的仿真容量和速度精度都提出了更为苛刻的要求，有一些EDA厂商开始把目光投向云计算，以期获得更快的运行速度。人工智能的技术也将被更多地引入EDA工具中，来实现EDA自动设计流程中的“工具智能化”。

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