国内外主流EDA软件全景透视

主流EDA软件工具梳理

       EDA软件技术的进步和应用一直以来是推动芯片设计成本保持在合理范围的重要方式。EDA是芯片设计和制造流程的支撑，是芯片设计方法学的载体，也是连接设计和制造两个环节的纽带和桥梁。一个完整的芯片设计和制造流程主要包括工艺平台开发、芯片设计和芯片制造三个阶段。工艺平台开发阶段主要由晶圆厂主导完成，在其完成半导体器件和制造工艺的设计后，建立半导体器件的模型并通过PDK（Process Design Kit，工艺设计套件）或建立IP和标准单元库等方式提供给芯片设计企业。芯片设计阶段主要由芯片设计企业主导完成，其基于晶圆厂提供的PDK或IP和标准单元库进行电路设计、仿真验证和物理实现。芯片制造阶段主要由晶圆厂根据物理实现后设计文件完成制造。

       上述芯片设计与制造的主要阶段均需要对应的EDA软件作为支撑，包括用于制程工艺平台开发和芯片制造两个阶段的制造类EDA软件，以及支撑芯片设计阶段的设计类EDA软件。

       根据使用阶段的不同，EDA软件可以分为芯片设计类EDA软件和芯片制造类EDA软件两个主要大类。

       芯片设计类EDA软件：根据处理的信号不同，可分为数字芯片设计类EDA软件和模拟芯片设计类EDA软件。由于处理上述两类不同信号的集成电路在形态、功能、设计流程及设计方法学等方面上差异较大，因此可按照数字芯片和模拟芯片各自在设计时所使用的EDA软件产品进行分类。

       芯片制造类EDA软件：主要指晶圆厂在工艺平台开发阶段和晶圆生产阶段使用的，用于支撑其完成半导体器件/制造工艺开发、器件建模和PDK等环节。该类工具能够帮助晶圆厂完成半导体器件和制造工艺的设计，建立半导体器件的模型并通过PDK或建立IP和标准单元库等方式提供给芯片设计企业，并在后续根据物理实现后的设计文件完成制造时，优化制造流程，提高量产良率。

       （一）芯片设计类EDA软件

       1.数字芯片设计类EDA软件

       数字芯片设计类EDA软件主要用于数字芯片设计环节，包括架构设计、RTL（Register Transfer Level，寄存器传输级）编码、仿真验证、逻辑综合、STA（Static Timing Analysis，静态时序分析）、形式验证等工具。

       架构设计即按照要求，对整体的设计划分模块，确定芯片规格并做好总体设计方案，是最高层次的抽象描述，通常是给出系统的时序图及各子模块之间的数据流图。此步骤主流的EDA软件有Cadence的Virtuso，西门子EDA的Tanner S-Edit，Synopsys的Custom Compiler，华大九天的Aether SE、概伦电子的NavisPro等。

       RTL编码是将系统功能结构化。通常以RTL代码（VHDL、Verilog、System Verilog等硬件描述语句）、原理图、逻辑图等表示设计结果，完成相关设计规范的代码编写，并保证代码的可综合、可读性，同时还需要考虑相关模块的复用性。此步骤主流的EDA软件有Cadence的Xcelium，西门子EDA的Modelsim，Synopsys的VCS等。

       仿真验证是对RTL级的代码进行设计验证，检验设计功能的正确性，是否满足规格中的所有要求。此步骤可以用到的EDA软件主要有Cadence的Spectre、APS、XPS，西门子EDA的AFS、ELDO，Synopsys的HSPICE、XA、Finesim，华大九天的ALPS、ALPS-GT，芯华章的GalaxSim等。

       逻辑综合步骤是芯片前端设计中的核心环节，指将数字电路RTL的Verilog HDL/VHDL文件“综合”为描述设计结构的门级（Gate-Level Netlist）Verilog HDL/VHDL文件，将RTL和根据设计需求编写的约束文件以及库文件作为输入综合出门级网表。简单说，逻辑综合=翻译+映射+优化。此步骤可以用的EDA软件主要有Cadence的Genus，西门子EDA的Precision RTL，Synopsys的Design Compiler、Fusion Compiler、Synplify等。

       STA是对电路的检查验证，检查所有时序路径是否满足，检查所有触发器是否满足建立时间和保持时间。在数字芯片设计中，每对实际的电路和期间进行修改，都需要重新跑一次STA，确保电路在时序上是正确的。此步骤主流的EDA软件有Cadence的Tempus，西门子EDA的Velocity，Synopsys的Prime Time，华大九天的ICExplorer-XTime、概伦电子的TRASTA等。

       物理验证。验证工作贯穿整个设计过程。芯片设计可以划分为前端（逻辑设计）与后端（物理设计），实现过程中将不断对设计进行优化，优化可能改变逻辑描述方式和结构，存在引入错误的风险，所以验证贯穿整个设计过程。此步骤可以用到的EDA软件主要有Cadence的Pegasus，西门子EDA的Calibre，Synopsys的IC Validator，Ansys的Redhawk，Altium的Protel，华大九天的Empyrean Skipper，概伦电子的NanoDesigner iV，芯华章的FusionVerify Platform、GalaxFV等。

       2.模拟芯片设计类EDA软件

       相比较而言，模拟芯片设计的自动化程度低于数字芯片设计。模拟芯片设计类EDA软件主要包括用于电路设计、仿真验证、版图设计、寄生参数提取、物理验证等环节的工具。

       电路设计。对于模拟芯片设计而言，设计时不能使用Verilog代码，只能用图形化的方法进行设计，这也是模拟芯片与数字芯片在设计中的最大区别。此步骤通常需要根据所需功能和性能要求来确定电路结构和参数，然后使用相应的工具进行模拟和验证，不断进行调整和优化，直到满足设计要求为止。此步骤可以用到的EDA软件主要有Cadence的Virtuso，西门子EDA的Tanner S-Edit，Synopsys的Custom Compiler，Zuken的CR-8000 Design Gateway，华大九天的Aether SE、概伦电子的NanoDesigner SE，广立微的SmtCell，九同方的eSchema等。

       仿真验证。与数字芯片设计中的“仿真验证”类似，即进行设计验证，检验设计功能的正确性，是否满足规格中的所有要求。此步骤可以用到的EDA软件主要有Cadence的Spectre、APS、XPS，西门子EDA的AFS、ELDO，Synopsys的HSPICE、XA、Finesim，华大九天的ALPS、ALPS-GT，概伦电子的NanoSpice、NanoSpice Giga、NanoSpice Pro，九同方的eSpice等。

       版图设计。这里的版图并不是电路图，而是交给芯片制造厂用于制作掩膜版的设计图纸。版图设计的要点包括：根据设计要求选择合适的工艺库；了解器件库中每个元件的特性和参数；进行DRC（Design Rule Check，设计规则检查）、LVS（Layout Versus Schematic，电路图版图对照检查）等验证工作，确保设计符合工艺规范和原理图；合理布局；执行信号线编辑和优化，缩短信号传输路径和降低信号衰减；优化功耗、面积和性能等指标。版图设计可以用到的EDA软件主要有Cadence的Virtuoso，西门子EDA的Tanner L-Edit，Synopsys的Laker，华大九天的Aether LE，概伦电子的NanoDesigner LS等。

       寄生参数提取是指经过版图设计之后，根据工艺特点与参数，提取出包含描述各种线上电阻、电容以及寄生电阻电容的网表文件。提取出的网表文件既可以作为LVS检查中的版图信息文件，也可以用来进行后仿真。此步骤可以用到的EDA软件主要有Cadence的QRC，西门子EDA的Calibre XRC，Synopsys的Star-RC，Silvaco的Clever、EXACT、QUEST、Hipex、ClarityRLC，华大九天的RCExplorer，行芯科技的GloryEX、GloryBolt等。

       物理验证作用同上文。此步骤可以用到的EDA软件主要有Cadence的Dracula、PVS，西门子EDA的Calibre，Synopsys的Hercules，华大九天的Empyrean Argus、概伦电子的NanoDesigner iV，广立微的TCMagic，芯华章的FusionVerify Platform等。

       （二）芯片制造类EDA软件

       芯片制造类软件大致包括单元库软件、器件建模软件、工艺设计套件软件（PDK）、计算光刻软件、良率分析软件、封装建模软件等。

       单元库软件。标准单元库常常被应用于数字信号处理、图形处理和网络处理等领域的芯片设计。在这些领域中，设计人员可以使用标准单元库来加速数字信号的数字化、处理和传输，提高设计效率、改善电路性能。单元库工具主要包括Cadence的Liberate，西门子EDA的Solido，Synopsys的SiliconSmart，华大九天的Liberal、Qualib，概伦电子的NanoCell、LibWiz等。

       器件建模软件。晶圆厂进行工艺平台的开发时，不断对器件的设计和工艺的实现进行优化，确保各类半导体元器件能实现大规模制造。同时保证各类元器件的特性能够到达预定指标后，进行电学特性的测试，并利用器件建模EDA软件建立晶圆制造所需的各种器件的模型，这个过程就是器件建模。器件建模工具主要有Silvaco的Victory TCAD，Keysight的MBP、MQA、IC-CAP，华大九天的XModel，概伦电子的BSIMProPlus、SDEP、MeQLab、Me-Pro，九同方的ePCD等。

       PDK软件。一套PDK包含同一工艺平台所有元件库、模型文件、设计规则等信息，用于支持设计流程中的电路原理图设计、版图设计和后端验证等各个环节。PDK工具主要有华大九天的PDK Build&QA，概伦电子的PCellLab、PQLab，芯和半导体的iModeler、iVerifier等。

       计算光刻软件。荷兰光刻机巨头ASML对计算光刻的解释是，利用计算机建模、仿真和数据分析等手段，来预测、校正、优化和验证光刻工艺在一系列图案、工艺和系统条件下的成像性能。计算光刻通常包括OPC（光学邻近效应修正）、SMO（光源-掩膜协同优化技术）、MPT（多重图形技术）、ILT（反演光刻技术）四大技术。计算光刻工具主要有西门子EDA的Calibre，Synopsys的Proteus、Synthesis，宇微光学的OPC软件等。

       良率分析软件。简单的说，芯片良率就是晶圆上合格芯片数量与芯片总数的比值，这个数值越大，说明有用芯片数量越多，浪费越少，成本也就越低。良率分析工具是芯片良率的重要保障。良率分析工具主要有Cadence的CMP Predictor、Integrated Virtual Metal Fill，西门子EDA的CMP ModeI Builder、CMP Analyzer、Yield Enhancer Smart Fill、Calibre LFD，Synopsys的Yield Explorer、Odyssey、Yield Manager、Avalon，广立微的ICSpider等。

       封装建模软件。芯片封装的主要作用是给微小精密、易受损的芯片裸片提供一个坚固耐用的保护壳，同时把裸片上密集微小的电信号触点与封装外较大的电信号引脚或焊点相连，以便芯片可以方便地焊接在电子元件中。芯片封装建模工具主要包括西门子EDA的Xpedition Package Designer，Altium的Altium Designer，Zuken的CR8000，概伦电子的PadInspector，芯和半导体的Metis、Hermes等。

       本文主要以支撑芯片设计及制造各环节的EDA软件盘点为主，但不可忽略的是，EDA除了在芯片设计中发挥巨大作用之外，在PCB板级设计中也有十分重要的应用。PCB类EDA软件种类很多，如Cadence的OrCAD、PSD、Allegro，西门子EDA的PowerPCB、Expedition PCB，Altium的Altium Designer、CircuitMaker，Zuken的CadStart、CR-8000 Design Force，以及国产PCB设计软件“嘉立创EDA”，望友科技的DFM Expert，芯易泽科技的EasyEDA，华秋电子的华秋DFM等。

       各EDA厂商的软件工具对各个环节的覆盖程度详见下表1及表2。

 

结语

       从表1、2中不难发现，在很多点工具上，我国已经实现了从0到1的突破，且各有所长。国内EDA厂商多点布局，正逐步形成产业生态。然而，与国际EDA软件巨头相比，国内EDA厂商在产品系统性、技术先进性等方面仍存在一定差距，且国产EDA虽然在器件建模、PDK等单点领域实现了突破，但并未能提供一套完整的全流程工具链。

       在摩尔定律的驱动下，芯片更新换代速度很快，集成度越来越高，对功耗、响应速度等要求也越来越严苛。作为芯片上游设计软件的EDA软件，则扮演着越来越重要的角色。自主创新，才是我国电子信息产业的立身之本，我国EDA厂商需要在全行业、全流程、全工具等多方面持续改进，才能在产业蓬勃发展的大潮中奋勇争先。

       说明：本文中各EDA厂商的软件工具盘点由e-works基于公开信息所得，若有遗漏，欢迎与e-works联系补充（weidie@e-works.net.cn），我们将在未来发布的版本中进行增补与完善，谢谢。

参考文章

       1.EDA行业深度报告：工业软件与半导体双轮驱动，筑造万亿产业根基
       https://baijiahao.baidu.com/s?id=1711119778024926543&wfr=spider&for=pc
       2.芯片科普 | IC设计全流程&要用到的EDA软件
       https://www.nowcoder.com/discuss/486471337658122240?urlSource=home-api
       3.浅谈EDA贯穿于芯片设计与制造
       https://m.elecfans.com/article/2016555.html
       4.重点聊聊EDA（一）定义及分类
       https://zhuanlan.zhihu.com/p/563880905?utm_id=0
       5.芯片产业链系列5-EDA软件全方位梳理
       https://baijiahao.baidu.com/s?id=1762700300242889626&wfr=spider&for=pc