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芯片设计是个由小到大的过程：几个晶体管先组成逻辑门，几个逻辑门组成寄存器和组合电路，很多寄存器和组合电路组成运算电路、控制电路、存储电路，很多这些电路组成通信、计算等等模块，这些模块最终组成一个完整的芯片。
几十年前，芯片里所有的模块和电路甚至晶体管都是用手画出来的。但现在一个手机芯片的算力比阿波罗登月的全部算力还高。这说明芯片功能越来越复杂、晶体管数量越来越多，如果再用手画这几十亿上百亿个晶体管，几辈子也画不完。
所以，现在芯片工程师设计芯片的方法，就是写代码。而把代码自动转化成电路和芯片的工具，就是EDA软件。
那么EDA究竟是什么？它为什么是芯片产业至关重要的核心环节？如果你想知道这些问题的答案，就请继续看下去。我把所有知识点总结成了思维导图，获取的方式在文末。
EDA：重要性堪比光刻机的工业软件
EDA的全称，是电子设计自动化（Electronic Design Automation），它是一种工业软件，现在所有芯片公司都在用各种EDA软件辅助完成芯片设计。
更重要的是，EDA有着非常明显的杠杆效应。EDA本身的市场规模没多大，只有100多亿美元，但它却直接撬动了超过4400亿美元的全球半导体产业。
我们都说光刻机是整个芯片产业的关键环节，但其实EDA软件是不为人所知的、重要性却不输光刻机的关键领域。
那么EDA究竟是什么呢？为了了解这个问题，就要先从芯片设计的主要流程看起。
苹果、高通、英特尔这样的公司，在设计芯片的时候都遵循非常类似的流程。芯片设计可以分成前端和后端：前端负责芯片的逻辑电路设计，包括系统架构定义、RTL编码、逻辑综合，在这个过程中会进行多次的仿真验证，最终得到门级的网表；后端主要负责芯片的物理设计，包括布局规划、时钟树综合、布线、参数提取等等步骤，最终会得到一个芯片电路的物理版图，提供给晶圆厂制造。
没听过这些名词也没关系，简单来说，前端说的是这个芯片是什么、它有哪些部分，后端说的是这个芯片的各个部分长什么样。
我们拿盖房子打个比方，前端设计就是做出房子的设计图，比如有几个房间，每个房间是餐厅还是卧室。而后端设计就是按设计图画出这个房子的施工图纸，包括建筑施工的时候有哪些步骤，用钢结构还是砖混，怎么做防水，怎么拉网线走水电等等。这样建筑队、也就是晶圆代工厂，就可以拿施工图纸去把芯片造出来了。
EDA工具最大的好处，就是能极大缩短芯片设计的时间，提高设计效率。手动画电路图又慢又容易出错，但用计算机可能几分钟就完成了，还可以随便改随便保存。要知道，时间就是金钱。能够越早让芯片做出来卖，就能越早占据市场先机。
在前端和后端的每个步骤里，都需要用到各种各样的EDA工具。我们拿全球最大的EDA公司Synopsys新思科技举例，看看芯片设计的流程里到底需要多少EDA工具。
比如我们要做一个非常非常简单的加法电路a+b=c。那么我们就先用Verilog或者VHDL这些硬件专用语言，把这个加法电路描述出来。为了验证这个加法的功能是不是正确，我们需要用“EDA仿真软件”，比如新思的VCS和VC formal，让a=1，b=1，看c是不是等于2。如果我们输入1+1但结果等于3，那就需要使用“调试软件”，比如Verdi，来确认问题出在什么地方。我们还要用到“静态和动态分析软件”SpyGlass，来诊断和分析电路是否有潜在问题。
如果代码没问题，就可以编译了，这在芯片设计里叫“综合Synthesis”，综合的结果就是生成一堆互相连接的门电路，也叫做网表。这就需要使用专门的综合工具Design Compiler。
综合生成的网表再用IC Compiler做布局布线、用PrimeTime做时序分析、用PrimePower做功耗优化，用IC Validator做物理验证，用StarRC做寄生参数提取等等等等，最终生成一个符合设计要求、也符合晶圆厂代工要求的GDSII文件，这个东西就被拿去进行流片生产。
上面介绍的这些软件只是整个EDA工具库里的九牛一毛。规模大一点的芯片公司其实都会根据自己的产品和技术，在每个环节采用不同的工具。这种定制化的方法比较高效，但是对技术要求比较高，只有大公司玩得了。其他公司，特别是中小规模的公司可能就会直接使用EDA厂商的完整方案，比如Synopsys的Fusion Compiler，直接从RTL硬件语言到GDSII版图一步到位。
EDA软件发展的四个阶段
整个芯片设计流程里用到了大量的EDA工具。EDA工具的好坏对于芯片的性能、功耗和面积，也就是PPA，有着决定性的影响。同样的一段代码，不同的工具会做出截然不同的芯片。但是，EDA的发展也并不是一蹴而就的，而是经历了四个主要的阶段，分别是计算机辅助设计、计算机辅助工程、传统EDA、AI加持的EDA。
在上世纪70年代中期，人们开始使用计算机来辅助芯片的晶体管版图设计、PCB电路板的布局布线、设计规则检查等相对简单的工作。到了80年代，卡弗尔米德和琳康维发表了《超大规模集成电路系统导论》，提出了使用编程语言进行芯片设计的思想，这也成为了EDA发展的重要标志。
在1986和1987年，Verilog和VHDL这两种硬件描述语言诞生。几乎在同一时间，Aart de Geus博士发明了自动逻辑综合技术，以取代手动设计过程，并在1986年联合创立了Synopsys新思科技，这也标志着EDA工具开始走向商业化。
从90年代到21世纪初期，在摩尔定律的指引下，芯片上晶体管的密度越来越高，设计流程越来越复杂，EDA工具成为了芯片设计的必选项，也促进了EDA工具的进步，包括前面说的综合、仿真、布局布线等等技术，都在这个时期得到了飞速发展。这些EDA工具也缩短了研发周期、提升了设计效率，从而又反过来促进了芯片产业的技术革新，形成了正向反馈的螺旋式上升。
目前是AI加持的EDA新时代。谷歌在Nature上发表一篇文章，用深度学习技术帮助芯片设计，人类工程师需要几个月完成的工作，谷歌的AI仅需要6个小时就能达到相同或者近似的结果。
新思也推出一个名叫DSO.ai的技术，可以用到新思所有的EDA工具上，并且在某个芯片的设计上可以得到21%的功耗降低、18%的性能提升，并且把原本6个月的设计时间缩短为1个月。
我不负责任的猜想一下，加了AI buff的EDA工具，很可能就是芯片行业再次起飞的最大动力。
中国EDA产业如何发展？
EDA如此重要，而全球三大EDA领导者占据了超过70%的全球市场份额和接近80%的中国市场份额，他们是如何发展到今天的程度，中国的EDA产业又该如何迎头赶上呢？
从国际EDA发展的进程来看，我总结了4个可以借鉴的发展规律。
首先EDA需要大量研发投入。EDA产业属于典型的需要长期投入的领域，它里面有大量的数学物理相关的基础研究，国际学术界有四大顶级EDA会议（DAC、ICCAD、DATE和ASP-DAC），里面讨论的绝大部分都是从芯片设计里抽象出来的数学和算法问题。这些基础研究都很难在短时间内转化为生产力，行业门槛很高，前期投入产出比很低，这就需要政府的大力支持。
EDA公司为了不断实现技术革新，也在大量投入。比如新思科技有1.6万名员工，而研发人员占80%，研发费用占全年营收35%。从Glassdoor可以看到，新思的研发工程师平均工资为19.3万美元，处于科技行业的头部水平。
第二，EDA需要大量人才。和芯片行业类似，EDA人才从高校课题研究到就业往往需要10年左右的时间，因此需要一套持久健全的人才培养体系，除了前面说的四大EDA顶会之外，还有各种EDA竞赛，其实也是在吸引和培养人才。
第三，EDA需要建设完整生态。整个芯片设计过程需要晶圆厂、芯片公司和EDA厂商共同推进。很多物理设计的参数，要与晶圆厂和上下游公司深入合作，获得一手数据，所以说eda串联起了整个产业链。也正因为如此，像新思这样的EDA巨头还是世界最大的IP提供商之一，特别是接口、基础和物理IP这些和工艺紧密绑定的领域，新思在全球排名第一。
第四，EDA发展离不开并购扩张。特别是很多细分领域，自研的难度和成本都太高，因此在自身产品和市场能力足够强大之后，可以吸收和整合新公司和新技术，从而实现快速发展。
对于国产EDA来说，现在有着很好的发展机会。国家十四五规划就明确提出重点突破包括EDA在内的工业软件。2020年至今国内就成立了近50家EDA公司，也有4家在申请或者已经完成了IPO。
从上面发展的规律来看，肯定还会经历一波整合。虽然很难直接做全产业链的完整方案，但可以从细分领域切入、从中低端制程切入，然后逐步迭代形成发展。
结语
EDA支撑了百亿晶体管芯片的设计，也是对芯片产业至关重要的工业软件。中国芯片要发展，必然离不开EDA软件跨越式的进步。相信EDA的黄金时代，马上就会开启。
我把本文所有的知识点总结了一个思维导图，大家可以在公众号后台回复eda直接获取。
（注：本文不代表老石任职单位的观点。）
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