EDA，即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化是一套專門用于設(shè)計(jì)和制造芯片的軟件工具包。如果將制造一顆芯片比作建造一座摩天大樓，那么EDA就相當(dāng)于建筑師手中的電子版設(shè)計(jì)圖紙。它是現(xiàn)代芯片產(chǎn)業(yè)的技術(shù)基石。

撰文 | 王虎、梁坤（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)）

近期，關(guān)于EDA的討論非常熱烈。這個(gè)對(duì)大眾略顯陌生的術(shù)語(yǔ)，實(shí)則貫穿導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的核心環(huán)節(jié)——從芯片設(shè)計(jì)圖紙的繪制，到制造工藝的模擬驗(yàn)證，EDA無(wú)處不在。可以說(shuō)，沒(méi)有EDA工具，就無(wú)法完成任何一顆現(xiàn)代芯片的設(shè)計(jì)與制造。它就像芯片產(chǎn)業(yè)的“工業(yè)母機(jī)”，支撐著整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的運(yùn)轉(zhuǎn)，關(guān)乎著芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的命脈，其重要性不容小覷。

那么，EDA究竟是什么？它為何對(duì)芯片產(chǎn)業(yè)如此重要？讓我們一起深入解析這個(gè)至關(guān)重要卻鮮為人知的“工業(yè)母機(jī)”。

芯片設(shè)計(jì)的萬(wàn)能“電子版藍(lán)圖”

EDA是Electronic Design Automation的縮寫，中文全稱為“電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化”，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是一套專門用于設(shè)計(jì)和制造芯片的軟件工具包，是現(xiàn)代芯片產(chǎn)業(yè)的技術(shù)基石。在當(dāng)今復(fù)雜程度超乎想象的芯片設(shè)計(jì)流程中，EDA發(fā)揮著無(wú)可替代的關(guān)鍵作用，全面覆蓋芯片從最初的功能設(shè)計(jì)、仿真模擬、功能驗(yàn)證、電路的物理實(shí)現(xiàn)到最終制造生產(chǎn)的全流程環(huán)節(jié)。

隨著芯片晶體管數(shù)量從百萬(wàn)級(jí)躍升至千億級(jí)（如單顆5納米芯片可集成超過(guò)150億個(gè)晶體管），人類工程師已無(wú)法通過(guò)手繪或傳統(tǒng)計(jì)算完成設(shè)計(jì)。EDA工具憑借其強(qiáng)大的自動(dòng)化設(shè)計(jì)能力，能夠在芯片設(shè)計(jì)和制造的各個(gè)階段高效地幫助工程師應(yīng)對(duì)幾何級(jí)增長(zhǎng)的復(fù)雜度挑戰(zhàn)。

如果將制造一顆芯片比作建造一座摩天大樓，那么EDA就相當(dāng)于建筑師手中的電子版設(shè)計(jì)圖紙。建筑師能夠在圖紙上精準(zhǔn)地規(guī)劃大樓的每一處細(xì)節(jié)，從整體的框架結(jié)構(gòu)，到內(nèi)部的不同功能空間的布局，再到水電線路的鋪設(shè)等。與之類似，芯片工程師依靠EDA這套“虛擬建造工具”，可以對(duì)芯片進(jìn)行全方位設(shè)計(jì)。他們可以定義芯片的功能模塊，規(guī)劃電路布局，通過(guò)仿真模擬提前預(yù)測(cè)芯片在不同加工工藝、不同工藝參數(shù)以及不同工作條件下的性能表現(xiàn)，以此確保實(shí)際制造出的芯片符合所需性能與功能的要求。

在芯片設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中使用EDA工具進(jìn)行模擬仿真相當(dāng)于建筑師通過(guò)數(shù)字化建模模擬不同建筑結(jié)構(gòu)方案（如鋼架布局、混凝土配比），系統(tǒng)地驗(yàn)證建筑在極端條件（如地震、強(qiáng)風(fēng)）下的安全性；持續(xù)優(yōu)化功能與效率之間的微妙平衡點(diǎn)；最終確保落成的建筑既能精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)空間規(guī)劃需求，又能以最低資源消耗達(dá)成嚴(yán)格的性能指標(biāo)。

具體來(lái)說(shuō)，使用EDA工具設(shè)計(jì)和制造芯片主要可以分為以下幾個(gè)階段：

在芯片的邏輯設(shè)計(jì)與綜合階段，工程師們會(huì)利用EDA工具，將芯片需要實(shí)現(xiàn)的功能通過(guò)代碼或者圖形界面“告訴”計(jì)算機(jī)。隨后，EDA工具會(huì)將這些抽象的功能描述自動(dòng)轉(zhuǎn)化為晶體管級(jí)別的電路設(shè)計(jì)圖。同樣以設(shè)計(jì)并建造一座大樓來(lái)類比，這就像業(yè)主提出需求（如“建造一座節(jié)能的20層寫字樓”），建筑師根據(jù)需求繪制建筑方案草圖，結(jié)構(gòu)工程師將方案轉(zhuǎn)化為承重梁、柱網(wǎng)、管線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

在芯片的仿真與驗(yàn)證階段，工程師們會(huì)利用EDA進(jìn)行“虛擬運(yùn)行和測(cè)試”，檢查電路的設(shè)計(jì)邏輯有沒(méi)有錯(cuò)誤和冗余，以避免后期制造后出現(xiàn)功能錯(cuò)誤；并且對(duì)電路和晶體管進(jìn)行校準(zhǔn)與優(yōu)化，在確保芯片性能的同時(shí)，將壓縮芯片面積，降低芯片功耗。這就像用結(jié)構(gòu)仿真軟件模擬地震、強(qiáng)風(fēng)對(duì)建筑的影響，測(cè)試承重能力是否達(dá)標(biāo)；優(yōu)化材料用量避免浪費(fèi)。

在芯片的物理設(shè)計(jì)階段，EDA將電路設(shè)計(jì)圖轉(zhuǎn)換為符合制造工藝限制的、晶體管級(jí)別的布局和連線，即電路版圖；驗(yàn)證電路版圖是否符合制造工藝要求（如線寬、間距），確?？芍圃煨?；并確認(rèn)物理布局與邏輯設(shè)計(jì)是否完全匹配。這就像施工圖設(shè)計(jì)師將結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)化為鋼筋水泥的排布圖，確保符合消防通道寬度、承重墻厚度等施工規(guī)定。

一個(gè)簡(jiǎn)單運(yùn)算放大器的模擬集成電路版圖，不同顏色代表不同工藝層丨圖片來(lái)源：維基百科

在芯片的后仿真階段，EDA通過(guò)引入版圖提取的真實(shí)延遲信息，模擬電流在復(fù)雜電路中的流動(dòng)過(guò)程，排查因線路延遲或干擾導(dǎo)致的信號(hào)錯(cuò)亂；通過(guò)引入不同工藝、電壓和溫度條件，仿真驗(yàn)證芯片在制造波動(dòng)下的穩(wěn)定性，降低流片失敗風(fēng)險(xiǎn)。這就像在施工前，用真實(shí)建筑參數(shù)模擬火災(zāi)逃生速度、極端天氣下玻璃幕墻承壓能力，排查安全隱患。

兩款EDA軟件的畫面，前者將電路原理圖轉(zhuǎn)化為PCB電路板設(shè)計(jì)，后者將PCB設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為三維模型并進(jìn)行可視化丨圖片來(lái)源：維基百科

在芯片的制造階段，EDA通過(guò)可制造性設(shè)計(jì)工具預(yù)測(cè)工藝限制（如光刻圖形畸變），生成光刻掩模版；利用工藝仿真（如刻蝕/沉積模擬）優(yōu)化參數(shù)、降低缺陷率；結(jié)合測(cè)試芯片數(shù)據(jù)與缺陷掃描結(jié)果，鎖定良率瓶頸，指導(dǎo)產(chǎn)線調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)高良率、低成本的芯片量產(chǎn)。這就像預(yù)制件工廠根據(jù)施工圖制作模具，優(yōu)化混凝土澆筑參數(shù)減少氣泡；通過(guò)質(zhì)檢數(shù)據(jù)調(diào)整裝配流程，提高樓體成品率。

以芯片物理設(shè)計(jì)階段為例，EDA就像一位精密的規(guī)劃師，在極小的芯片“土地”上，把數(shù)百億個(gè)晶體管和連接線安排得井井有條，既要保證芯片性能優(yōu)異，還要盡量降低功耗。想象一下，如果沒(méi)有這些自動(dòng)化軟件，工程師要手動(dòng)規(guī)劃數(shù)十億晶體管的擺放和連接，這根本是人力無(wú)法完成的任務(wù)。

毫不夸張地說(shuō)，沒(méi)有EDA工具的助力，現(xiàn)代芯片設(shè)計(jì)將陷入寸步難行的困境。賽迪顧問(wèn)的一位高級(jí)分析師曾提到：在有EDA的情況下，設(shè)計(jì)7納米芯片的成本是6億美元，如果沒(méi)有EDA工具，7納米芯片的設(shè)計(jì)成本是1200億美元，相差200倍之多！

先進(jìn)制程的“命門”

EDA這一基礎(chǔ)“工具鏈”的成熟，為后續(xù)3納米等原子級(jí)先進(jìn)工藝的演進(jìn)建立了必要前提。原子的直徑通常在0.1-0.5納米之間，當(dāng)芯片工藝邁入3納米、2納米甚至埃米（0.1納米）級(jí)時(shí)代，晶體管尺寸逼近原子直徑——物理極限，量子效應(yīng)無(wú)法忽視、熱管理難度飆升、光刻與制造工藝遭遇瓶頸，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法徹底失效。EDA工具通過(guò)算法創(chuàng)新，將量子效應(yīng)、熱管理、工藝瓶頸等物理挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)化為可實(shí)施的工程方案，因此成為維系先進(jìn)制程可行性的核心命門。

精準(zhǔn)建模量子效應(yīng)是EDA的關(guān)鍵任務(wù)。在尺寸僅有十幾個(gè)原子寬的晶體管通道中，電子隧穿效應(yīng)引發(fā)的嚴(yán)重漏電會(huì)導(dǎo)致經(jīng)典電路模型失效。EDA的量子仿真引擎基于量子力學(xué)原理，精確預(yù)測(cè)不同柵極形狀或堆疊結(jié)構(gòu)下的漏電行為，能夠?qū)⒙╇娐蚀蠓档?0%。

另外，用于器件間互連的導(dǎo)線縮小至納米級(jí)后，電子與導(dǎo)線表面的碰撞概率大幅增加，使得銅導(dǎo)線的電阻呈指數(shù)式增大（超過(guò)10倍），會(huì)嚴(yán)重影響芯片的可靠性和使用壽命。而EDA工具的原子級(jí)電阻仿真工具能夠精準(zhǔn)建模，在原子尺度上解析電子運(yùn)動(dòng)、晶體結(jié)構(gòu)對(duì)電阻的影響，為鈷、釕、碳納米管等新型電阻材料的應(yīng)用提供理論依據(jù)與方案優(yōu)化，直至篩選出電阻最小的材料組合與工藝參數(shù)。

45 nm MOS晶體管截面的高分辨率透射電子顯微鏡照片丨圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]

EDA工具在現(xiàn)代光刻工藝中也起著不可替代的作用。對(duì)于傳統(tǒng)光刻工藝，EDA的光學(xué)鄰近校正（OPC）工具能夠解決物理衍射帶來(lái)的圖形變形挑戰(zhàn)：當(dāng)193納米波長(zhǎng)的光波照射電路圖形時(shí)，衍射會(huì)造成圖形畸變。OPC工具運(yùn)用復(fù)雜的計(jì)算光學(xué)模型，分析光刻過(guò)程中的畸變機(jī)制，并在原始設(shè)計(jì)圖形上添加補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，使最終圖案接近目標(biāo)尺寸。例如，3納米工藝單顆芯片的OPC運(yùn)算需處理超過(guò)1億個(gè)修正點(diǎn)，消耗數(shù)百萬(wàn)CPU小時(shí)（CPU小時(shí)指1個(gè)CPU核心全負(fù)載運(yùn)行1小時(shí)的計(jì)算量）的計(jì)算資源，該步驟是光刻可行的必備前提。

使用OPC技術(shù)后，光刻圖形更接近目標(biāo)形狀丨圖片來(lái)源：作者繪制

三維集成技術(shù)是一種新型的半導(dǎo)體封裝技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是把多個(gè)芯片垂直“疊放”在一起，形成一個(gè)整體，以實(shí)現(xiàn)更小的尺寸和更高的性能，它的開(kāi)發(fā)高度依賴EDA的多物理場(chǎng)協(xié)同分析能力。在芯片垂直堆疊結(jié)構(gòu)中，大量硅通孔（TSV）產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鄰近晶體管的電學(xué)參數(shù)發(fā)生約10%的偏移，不僅影響芯片性能，還可能引發(fā)可靠性問(wèn)題。EDA的熱-力-電耦合仿真平臺(tái)能同步模擬微米尺度下的應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和電流密度分布，自動(dòng)優(yōu)化TSV的布局密度和位置，確保三維芯片的良率和性能。

工藝波動(dòng)控制與良率預(yù)測(cè)是先進(jìn)制造的核心難題。在原子級(jí)尺度下，隨機(jī)摻雜濃度變化會(huì)導(dǎo)致單個(gè)晶體管閾值電壓可達(dá)30mV（毫伏）的波動(dòng)，這類隨機(jī)效應(yīng)將顯著影響芯片性能和良率。EDA的統(tǒng)計(jì)良率分析工具（如基于蒙特卡洛方法）可引入數(shù)十萬(wàn)組工藝波動(dòng)參數(shù)進(jìn)行電路仿真，識(shí)別出高故障概率的設(shè)計(jì)單元并進(jìn)行針對(duì)性加固。例如，通過(guò)在存儲(chǔ)陣列關(guān)鍵路徑增加晶體管寬度，可使芯片良率從60%提升至85%。更先進(jìn)的、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的優(yōu)化工具能分析海量制造數(shù)據(jù)，自動(dòng)推導(dǎo)并應(yīng)用新的設(shè)計(jì)規(guī)則約束，以應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜔o(wú)法覆蓋的納米級(jí)物理失效機(jī)制。

正是EDA在精確物理模型開(kāi)發(fā)、跨學(xué)科協(xié)同仿真及隨機(jī)工藝控制領(lǐng)域的突破，構(gòu)成了先進(jìn)制程攻堅(jiān)成功的核心命門，支撐了臺(tái)積電3納米工藝80%+良率的實(shí)現(xiàn)。若無(wú)此類工具，每代先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的研發(fā)成本可能增至數(shù)十億美元級(jí)別，且良率爬坡周期大幅延長(zhǎng)。EDA工具已成為維持摩爾定律繼續(xù)發(fā)展的最關(guān)鍵技術(shù)依賴。

產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)

EDA處于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的最上游，貫穿芯片設(shè)計(jì)與制造兩大核心環(huán)節(jié)。在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域，無(wú)論是專注于芯片設(shè)計(jì)的廠商，還是同時(shí)具備設(shè)計(jì)與制造能力的廠商，其芯片設(shè)計(jì)流程都高度依賴EDA工具。完成芯片設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)廠商會(huì)將設(shè)計(jì)版圖交付給晶圓代工廠進(jìn)行制造生產(chǎn)。

對(duì)于芯片制造企業(yè)而言，EDA同樣不可或缺。一方面，晶圓廠在開(kāi)發(fā)新的制程工藝時(shí)，需要借助EDA工具進(jìn)行器件建模、工藝仿真等工作，以確定最優(yōu)的制造工藝參數(shù)。另一方面，為了確保設(shè)計(jì)廠商的芯片設(shè)計(jì)能夠在自己的生產(chǎn)線上順利制造，晶圓廠需要與EDA廠商緊密合作，開(kāi)發(fā)針對(duì)特定工藝的PDK（Process Design Kit，工藝設(shè)計(jì)套件，相當(dāng)于晶圓廠提供給設(shè)計(jì)公司的“設(shè)計(jì)規(guī)則說(shuō)明書”和“定制工具包”），提供給設(shè)計(jì)廠商使用。

EDA廠商、芯片設(shè)計(jì)廠商以及芯片制造廠商三者之間的關(guān)系丨圖片來(lái)源：作者繪制

EDA工具的發(fā)展水平，直接影響著芯片設(shè)計(jì)與制造的效率、成本以及產(chǎn)品性能，進(jìn)而對(duì)整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。它不僅是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)制高點(diǎn)，更是推動(dòng)整個(gè)電子信息產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的重要引擎。

EDA作為芯片產(chǎn)業(yè)的“工業(yè)母機(jī)”，不僅是現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)的基石，更是推動(dòng)摩爾定律持續(xù)前行的核心引擎。從設(shè)計(jì)到制造，EDA工具貫穿芯片誕生的全生命周期，以算法創(chuàng)新化解物理極限的挑戰(zhàn)，用數(shù)字孿生技術(shù)為芯片“虛擬造芯”，成為連接抽象設(shè)計(jì)與實(shí)體制造的關(guān)鍵橋梁。

當(dāng)前，隨著全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇，EDA的戰(zhàn)略價(jià)值愈發(fā)凸顯。

正如建筑大師離不開(kāi)精密的藍(lán)圖設(shè)計(jì)，芯片產(chǎn)業(yè)的每一次飛躍，都始于EDA工具中的那一行代碼、一次仿真。它或許隱匿于大眾視野之外，卻默默塑造著數(shù)字時(shí)代的根基——這，就是“工業(yè)母機(jī)”的力量。

參考文獻(xiàn)

[1]Streetman B .Solid State Electronic Devices: Global Edition[J]. 2015.

出品：科普中國(guó)
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